量子理论和爱因斯坦的相对论也许是科学中最具突破性的思想。它们从根本上定义了我们的世界,也同样的基本。但如果谁试图把它们联合起来,多半要碰壁了。黑洞比宇宙中任何其他物体更清楚地揭示了这种无法解决的冲突。
广义相对论描述了时空的本质。在时空中发生的是我们生命的开始和结束,以及整个宇宙的奇观。时空是上演着宇宙发展大戏的剧院。万事万物都有自己在时空的位置。如同本书前文提到的可伸展的床单的例子,这个剧院的舞台不是静态的,而是一块灵活的地毯。地毯随着演员的表演做出反应,发生变化。黑洞是这个宇宙舞台上最激进的演员——一个真正将其撕裂并向我们提出深刻问题的演员。
一切都有它的位置和时间?真的是这样吗?不!因为有第二个同样基本的理论,即量子理论。相对论描述的是非常大的事物,而量子理论关注的是非常小的事物:物质、分子、原子和基本粒子的结构。然而,恰恰是光的组成部分,即光子,使时空可测量。这些光量子将时空从抽象的数学描述的黑暗带入有形的现实的亮光。这就是相对论和量子物理学的结合点。
但与爱因斯坦的理论不同,在量子物理学中,并不是所有的东西都有它的位置或时间。在极短暂的瞬间,流程可以向前和向后运行。粒子可以在无人注意的情况下同时出现在两个或多个地方。在其极端情况下,量子理论打开了一个微观世界,对我们来说就像黑洞边缘的宏观世界一样陌生。然而,这两种理论已经成为我们日常生活的一部分,例如,在我们的智能手机中和平地并肩工作。我们手机中的每个芯片、每块半导体都是量子物理学的应用。没有量子物理学,就没有互联网,就没有计算机的大脑。另一方面,在我们的手机地图上为我们指明方向的导航系统使用了广义相对论的结果。
但是在黑洞的边缘,这两种理论以一种根本的方式发生了碰撞。这里一定有一种全新的物理学在起作用,多年来,我们星球上数以万计的最聪明的研究人员一直在绞尽脑汁,以弄清这种物理学可能是什么样子的——迄今为止,没有明显的成功。
到目前为止,这个问题只存在于纯粹的理论层面。著名的天体物理学家斯蒂芬·霍金曾深入思考过量子粒子在事件视界上会发生什么。
量子物体是迄今为止物理学中最小的“流氓”。善良的上帝让它们逃脱了,做到了对我们来说是不可能的事情。例如,它们可以在短时间内借用一些能量,而不需要征求任何人的同意。它们的诀窍是迅速地将这种能量反馈回来,以至于不被人察觉。
原则上,人们想象空旷的空间是一个巨大的泡沫海,水滴和水花自发地从这里一次又一次地飞溅到空中,然后再次消失在其中。海洋和空气之间的界限变得模糊不清。靠近海面的时候,你已经湿透了,即使你还没有在水里游泳。
以同样的方式,最小的粒子自发地出现在空旷的空间,然后又消失。这样一来,空的空间就不完全是空的,而是充满了粒子喷射。但要从无中创造出一个粒子,当然需要能量。从哪里拿,不偷不抢?在海上,是风用其能量创造了这些水滴,但风并不存在于空旷的空间。因此,大自然使用了一个简单的平衡技巧:它以虚拟光量子的形式短时间内借用了一些能量。由此,它创造了一个粒子对。它由一对完全相反的双胞胎组成:一个粒子和其反粒子——可以说是迷你天使和迷你魔鬼。一个是带正电的,另一个是带负电的。如果一个向左转,另一个就向右转。如果一个是物质,另一个就是反物质。与大海相比,粒子就像空气中的一个小水滴,反粒子就像大海中的一个气泡。
如果两者再次走到一起,那么它们的所有属性就会相互抵消,而物质和反物质就会相互湮灭。然后什么都没有留下——除了一个短暂的虚能量闪光,消失在时空之海中。这就偿还了能量债务,而且没有人有什么可说的。
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