《黑洞战争》 李小刚解读
《黑洞战争》| 李小刚解读
关于作者
伦纳德·萨斯坎德，康奈尔大学物理学博士，斯坦福大学教授，世界著名物理学家，弦理论的创始人之一。多年来他一直致力于广义相对论和量子引力理论的研究，对于黑洞的性质有很多独创的发现。
关于本书
《黑洞战争》是伦纳德·萨斯坎德的科普作品代表作。《新科学家》杂志将其列入2008年度编辑推荐书目，《华盛顿邮报》将其列入2008年假日购书名单。
核心内容
伦纳德·萨斯坎德以回忆录的形式，记述了他与诺贝尔奖得主特霍夫特，剑桥大学物理学教授霍金三个人之间从上世纪80年代开始的关于黑洞性质的辩论。为读者讲述了人类认识黑洞的来龙去脉，以及对于黑洞的深入研究将会对物理学的发展产生怎样的推动作用。
你好，欢迎每天听本书。本期音频为你解读的是《黑洞战争》，这本书的中文版大约27万字，我会用大约26分钟的时间，为你讲述书中的精髓：全世界最杰出的理论物理学家们对黑洞这种既令人感到恐怖，又让人充满好奇的神秘天体，所进行的长达几十年的论战。听一听这本书的内容，你会初步理解现代理论物理学家是如何思考，又是如何推进理论物理学发展的。
这本书的核心话题就是题目里提到的黑洞。可能大多数人都听说过黑洞，这是一种给人感觉很危险，又很虚无缥缈的天体，但它毕竟离我们的日常生活太远了，就连通常的宇宙观测都很难发现黑洞的存在。就是这样的一种天体，为什么会成为物理学家关注的焦点呢？
我们知道霍金是世界著名的理论物理学家，他的研究领域就是黑洞，他对黑洞的性质做出了很多的推论，在他那本全球畅销书《时间简史》里也提出了自己对黑洞的看法，这些咱们在本期的音频中都会提到。但是这本书的作者萨斯坎德意识到，如果霍金的一些观点是正确的，那么物理学的很多理论就都会被推翻，整个物理学都会处于危机之中。他想要解决这个危机，结果就爆发了这场“黑洞战争”。
这本书虽然是在2008年出版的，但是它所叙述的故事，却要从三十多年前说起。所谓的“黑洞战争”，就是三位顶级物理学家：史蒂芬·霍金，诺贝尔物理奖得主赫拉德·特霍夫特和本书的作者伦纳德·萨斯坎德三个人之间，关于“黑洞的性质”所进行的持续了三十多年的论战。
不过，虽然萨斯坎德把这场论战叫做黑洞战争，但这几个人在生活中都是非常好的朋友，他们之间的争论是完全是学术上的。本书的作者萨斯坎德是斯坦福大学的理论物理学教授，他是一个非常标准的美国人，重实际，有一种美国人特有的大大咧咧，自来熟的性格。比如当他到了霍金所在的剑桥大学时，看到在英国的大学里等级森严，他就感觉处处都非常别扭，不适应。而且剑桥大学的宗教气氛也很浓，这让他也觉得很新奇，因为在美国大学里，教堂是比较少的，而且在物理学家看来，科学和宗教本来应该是对立的。这种感觉，其实可以说就是美国人和欧洲人之间的不同。欧洲科学家更重视历史和传统，而美国科学家更实际，以解决问题为先。
这本《黑洞战争》，不仅是一本科普书，也是一本回忆录，记载了很多作者的个人经历，我们还可以把它当作一本科学史相关的书来读，了解在最近几十年，理论物理学家们都做了哪些工作。我将分三个重点来为你讲述：第一，人类是怎么从理论到实践一步步认识到了黑洞的存在；第二，就是关于本书的作者萨斯坎德教授和书中的另外一个主角，史蒂芬·霍金教授，他们为什么会因为黑洞进行了一场几十年时间的论战，这场论战到底是怎么回事；第三，我们来说说，研究黑洞对于人类的科学发展，有什么样的重要意义，这场论战又会对物理学的发展产生怎么样的影响。
先来介绍第一个重点内容，“黑洞”到底是什么，人们是怎么发现它的。了解了这个我们才知道这本书主要在争论什么。
黑洞是一种并不算稀少的天体，它吸收一切东西，而且是有去无回，就算是一颗恒星接近黑洞，也会被黑洞的引力给撕碎，吸收进去。黑洞这个名词的意义早就从天文学领域扩展到了我们的日常生活中了，我们习惯说某个东西，或者某个机构，甚至说某个人就是一个黑洞，意思就是从天文学的黑洞演化而来的。实际上，黑洞，Black Hole，这个名词出现的时间并不算太久，它是在1967年由美国著名的物理学家约翰·惠勒提出来的，但是实际上人类认识到黑洞这种天体有可能存在，起码是在理论上有存在的可能，已经有两个多世纪的时间了。
我们说黑洞吸收一切物质，这和引力作用有关，也和人类对于光的本质的探索有关系。在18世纪晚期，当时牛顿已经去世半个世纪了，但是他所创建的牛顿力学体系仍然统治着整个物理学界，这个力学体系的核心就是万有引力，质量越大的物体，引力越大。那么有人就思考，会不会存在一种引力特别大，让一切物质都逃不掉的天体呢？不仅是这样，在当时的物理学界还有一场持续了很久的大辩论，探讨光到底是粒子还是波。牛顿在生前就一直坚持认为光是一种粒子，就是因为牛顿在科学界有着崇高的地位，所以在整个18世纪，光的“粒子说”一直占据上风。那按这个说法，光既然是一种粒子，它就有可能会受到重力的影响。再结合万有引力的理论，就会引发一些人的思考了，比如说当时的法国物理学家皮埃尔·拉普拉斯和一位英格兰的牧师几乎不约而同地有了一个想法：会不会存在一种大质量，大密度的恒星，它的引力太大，就连光都没法逃脱呢？要是这样的话，那这个恒星不就是全黑的，完全看不见了吗？这就是人类对于黑洞这种天体最早的一种想象。
什么样的天体，才会让光都逃不出去呢？比如说距离我们最近的恒星太阳，当再过50亿年，它的燃料都烧光了，就会坍缩成一个和地球差不多大小的白矮星，这时候它的引力就要比原来大多了，但还是不能限制住光从它的表面离开。但是再重一些，假如一颗恒星的质量达到了太阳的五倍，当它燃料耗尽开始坍缩的时候，它就会形成一个密度无穷大，有很强破坏性力量的点，我们称为奇点，就连光都没办法逃出它的引力场。这样的一种天体，我们以前叫它暗星，现在叫它黑洞。在宇宙中，很多黑洞都是由坍塌的恒星形成的，这就是我们这本书主要探讨的对象。
我们说连光都没法逃出黑洞的引力场，但黑洞这种强大的引力也是有界限的。任何物质，只要接近黑洞的奇点到了某一个距离之内，那它就再也不能逃离了。如果我们拿这个距离当半径，就能以奇点为球心画出一个球来，这个球面就叫做黑洞的视界。这个视界就把宇宙分成了两个部分，在视界内部的光线永远都没法逃出来，因为越过这个界限的光线就相当于被黑洞所吸收，再也出不来了，你也就不可能看到它了。比如说在我们银河系的中心就有一个超大型黑洞，它的视界半径达到了1000万英里，这么一个巨大的黑洞依靠自己的引力把整个银河系的物质都维系在一起。
物理学家们虽然从18世纪晚期就意识到，理论上有可能存在这样一种天体，但是他们不知道这种东西到底是不是真的存在，因为没有理论或是进行实际探测的工具。一直到了20世纪，爱因斯坦发表了广义相对论，这时候人们才意识到黑洞可能确实存在，而且它可能对于宇宙时空有很大的影响。比如命名了黑洞的约翰·惠勒就说过一句话：空间告诉物体如何运动，物体告诉空间如何弯曲。但是一般的物体对空间的影响太小，不好观察，而黑洞可能造成时空的剧烈扭曲，所以黑洞是人类探索宇宙，研究理论物理学的一个极好的对象。
就是因为黑洞有这样的性质，所以这本书里边的三个主角，三位理论物理学家的研究重点都不约而同的汇聚到了黑洞上来，也因此引发了黑洞战争。其中最重要的原因就在于黑洞它是一个宏观物体，同时它又具有很多量子特性。这句话是什么意思呢？目前现代物理学有两大支柱理论，一个是广义相对论，它主要描述的是宏观的物体，时空和物质之间的相互作用；另一个是量子理论，它描述的是微观世界的运动规律。在平时的物理学研究里，这两种理论互不干涉。但我们想要让物理学继续发展，就必须把这两个理论结合在一起形成一个大一统的理论。想要让它们融合，就必须找到一种既是宏观又是微观的东西。听起来挺矛盾的，而黑洞这种天体，恰好同时具有宏观物体的形态和微观量子理论的一些特性，可以说，两种理论在这种天体上交汇了。
在这种情况下，我们就看出研究黑洞的意义了。两种理论在黑洞上都适用，那么我们理解了黑洞，就有可能可以找到一条融合两种基本理论的方法。当然了，目前我们只能在理论上进行研究。
以上是本书的第一个重点，人类认识到黑洞的存在已经有200多年的时间了，因为黑洞同时具有宏观物体的形态，和微观量子理论的特性，研究它就有可能统一现代物理学的两大支柱理论，所以它就成了理论物理学研究的焦点。
你看，现代物理学的两个主要理论在黑洞上交汇了，它们之间就产生出很多矛盾的地方，关于黑洞性质的论战就这么出现了。论战中的三个人，就是我们刚刚说的，萨斯坎德，特霍夫特和霍金，这三个人分成了两派，霍金一派，本书的作者萨斯坎德与特霍夫特一派。这就是本书的第二个重点内容：在这场论战中，两派的分歧在哪里，他们都是怎么证明自己的观点的，讨论这个问题对物理学的发展又有什么重大的意义。
我们先来说说他们双方争论的是什么，他们争论的焦点是，落入黑洞里的信息到哪去了。
霍金在1981年对其他两个人发起了进攻，萨斯坎德形容说，这就像“一场奇袭”。霍金的观点很明确，他认为在这种情况下就应该抛弃量子力学，因为它和广义相对论有很多无法调和的矛盾，这就说明量子力学一定是有错误的。他为什么这么说呢？因为黑洞是一个宏观物体，这属于广义相对论的研究范围，物理学家利用广义相对论计算，得出的结论是：它是一切物质的终结。那也就是说，只要信息越过了黑洞的视界，就永远不会再返回了，会永远地消失。
霍金曾经在《时间简史》这本书里提出过一个理论，说黑洞有一个特性叫做“霍金蒸发”，意思是说，黑洞不是只会吸收外界的物质的，也会逐渐的向外辐射粒子，那既然有辐射，黑洞就会逐渐变小、消失，但即使整个黑洞都蒸发掉，它曾经吸收的那些信息也找不回来了。但是，“信息永远消失了”这个结论，是和量子理论相违背的，因为量子力学里边有一个最基本的定理叫做“信息不灭”。意思是说，从量子力学的角度来说，物理信息是永远都不会丢失的。因此霍金认为，量子理论存在错误。
但是萨斯坎德这一边是怎么看的呢？他们认为，这场所谓的黑洞战争，也可以说是一场保卫量子力学的战争，绝对不能否定量子力学。在这一点上他们就有了根本性的冲突。
你看，广义相对论和量子力学两个理论，在黑洞这里就形成了尖锐的对立。霍金相信信息被黑洞永远吃掉、消失了，而萨斯坎德和特霍夫特坚持认为，信息不会消失，但是又不知道该怎么反击。在这种情况下，我们可以说这是世界上最顶尖的三个理论物理学家的交锋，也可以说这是量子力学和广义相对论的交锋。萨斯坎德和特霍夫特各提出了几种可能的解释方法，但是都不够充分。结果黑洞战争的双方谁也没法说服谁，陷入了一种僵持状态。用萨斯坎德的说法，就是“黑洞战争是一场持久战”。
说了这么多，那这场争论有什么意义呢？我们要知道，在科学研究中“解决”问题非常重要，但是“发现”问题，也同样非常重要。萨斯坎德就从他们之间的争论中发现，这个关于黑洞的悖论，可以算是他们这一代物理学家面临的最重要的问题。他说，这是一个能够赶上普朗克、爱因斯坦、海森堡和过去其他物理英雄们成就的伟大机遇，因为他们发现了一个伟大的问题。就是说，如何解决物理学的两大支柱理论，在黑洞上的矛盾。萨斯坎德相信，要解决这个问题，关键不是抛弃掉量子力学，而是要调和它和广义相对论之间的矛盾。
实际上，关于如何统一量子力学和广义相对论，早就有物理学家进行这方面的尝试了，想要把两个理论结合成一个统一的“量子引力理论”，但是在这方面一直没有什么进步。就连著名的物理学家理查德·费曼对此都持悲观态度，认为实现两种理论大统一的目标离我们太遥远了，而且人们找不到研究的方向。
在这种情况下，黑洞战争揭示出来的悖论，一下子就让两种理论短兵相接了。但即便如此，人们对这个问题的研究还是没有进展，甚至物理学界对这个问题都不够重视。让这场黑洞战争从一开始，就陷入了僵持的持久战。萨斯坎德统计了一下，虽然这场黑洞战争在1981年就开始了，但他发现在1981到1989年这八年之间，霍金没有发表任何有关于黑洞的论文，而且所有的物理学期刊上，总共只有8篇论文讨论了黑洞信息的丢失问题。其中有一篇是萨斯坎德自己写的，另外七篇都是由和他站在同一条战线上的特霍夫特写的，除了这两个人之外，物理学界没有人在这个领域发表任何论文。这就表明，这个研究领域在这一段时间里完全被忽视了。但萨斯坎德认为，这个问题会在之后逐渐吸引学术界的重视。
面对这么一个有着重要意义的难题，萨斯坎德是怎么解决的呢？他利用了量子力学发展过程中一个非常重要的原理，叫做“互补原理”。互补原理最初是由丹麦的物理学大师尼尔斯·波尔提出来的。人类当时已经认识到，物质都有波动和粒子的两面性，所以波尔就提出，一个物理学现象，只有在你观测它的时候，它才成为一个现象，在你观测它之前它是不存在的。比如说，你观测一个粒子波动方面的性质，它就呈现出波动性；观测它粒子方面的性质，它就呈现出粒子性——互补性原理给了萨斯坎德很大的启发。
他认为自己终于有了可以战胜霍金，取得这场黑洞战争的胜利了，所以他在书里把这个阶段称为是“反攻”。萨斯坎德的武器，就是把互补原理应用到了黑洞信息丢失的悖论中，他得出了一个非常惊人的解释。比如说有东西从外界掉进了黑洞，如果有一个人在黑洞外面进行观察，他会发现，在黑洞的视界，就是我们刚刚说受黑洞引力影响的那个球体，它的周围有一个炽热的表层，因为它能量相当的高，任何东西接触到这个表层都会被吸收，然后逐渐蒸发，飞向外部空间，又会回到宇宙里。萨斯坎德比喻说，这就像是有东西掉进了热汤里，被热汤蒸发掉了，那么这个东西的信息也就被蒸发物带走了，并没有消失。这个解释听上去还不奇怪，但是如果用上互补原理，就会有点不可思议了。这个意思是说，我们刚才说的是观察者在黑洞外面，如果在黑洞内部还有一个观察者，这个观察者看到的就是完全不同的现象，他会看到在黑洞的视界附近什么都没有发生，那个东西就是直接落进了黑洞里。
你听到这样的解释会不会觉得完全无法理解？为什么两个观察者会看到的会是完全不同的现象呢？萨斯坎德认为，黑洞把宇宙分成了两个区域，也就是黑洞的视界里和视界外，这两个区域属于不同的时空，有着完全不同的因果关系，所以可以出现两种不同的结果。他认为这个解释尽管看上去荒谬，但是它必定是对的。就像是大侦探福尔摩斯曾经说的：当你排除了所有不可能性的时候，不论剩下的有多不合理，它一定就是真相。
以上介绍的就是本书的第二个内容，在三位理论物理学家之间分成了两派，结果爆发了黑洞战争。这场战争可以说是你来我往，互有攻防，战争的焦点始终只有一个，就是落入黑洞的信息跑到哪去了。
萨斯坎德通过互补性原理获得启发，认为自己正在赢得这场黑洞战争，从被霍金奇袭到开始反攻，但是这还不够，因为他还需要取得黑洞战争最终的胜利，他把这个阶段称为“围攻”。说到这，我们就要看一看这本书的第三部分重点内容，这场黑洞战争对于这几位物理学家，对于物理学的发展有什么重要的影响。
所谓取得最后胜利的围攻，就是要通过黑洞的互补性原理，和现有的一些物理学理论相结合，最终探索出一条路。这条路就是我们刚刚说的，要能把量子力学和广义相对论融合起来，最终得到一个大统一理论。只有达到这样的一个目的，才能称得上最终赢得了黑洞战争。萨斯坎德提出了“黑洞互补原理”，但是现在还只是一个想法，缺少数学基础，还不是一个完整的理论。
可以说人类到现在，仍然没有得出一个有效的量子引力理论，这场黑洞战争还没有结束。在这方面和几十年前相比研究进展仍然不大，而且在这两个理论的交汇处：黑洞，关于它的性质人们至今仍然争论不停，不断产生出各种新的问题和悖论。
尽管没有完全解决问题，但是这场黑洞战争确实是促进了理论物理学的发展。比如说伴随着辩论的展开，萨斯坎德和特霍夫特就提出了“全息原理”来解决黑洞信息悖论，这个“全息”就是我们说“全息投影”的那两个字。它认为，我们感受到的三维信息，实际上是一种二维真实信息的投影，这是一种很有颠覆性，看上去很怪异的想法。把整个宇宙变成一个全息图，也就是说我们感受到的宇宙可能实际上不是最根本、最真实的存在，整个宇宙的信息可能都在一个二维形式的存在里，起码这两者在数学上是等价的。这个想法虽然听起来很怪，有点像是科幻小说一样，却可能给物理学家解释宇宙提供一种全新的思路。
另外弦论也随着黑洞战争发展起来了，而且萨斯坎德就是弦论的创始人之一。研究弦论的科学家认为，这个世界上所有的事物都是由一种只有一个维度的弦构成的，就算是像光子，电子这种微小的粒子，也都是一个个弦圈。这种想法可以说听上去有点荒唐，甚至有点疯狂，但是很多物理学家正是从弦论里看到了融合量子理论和广义相对论，最终解决黑洞信息悖论的可能。因为黑洞信息悖论的本质，正是在于广义相对论和量子理论的冲突。如果人类最终能够找到一种融合两个理论的方法或是框架，那么这个悖论也就可以解决了。
以上是本书的第三个重点内容，我们总结一下，像是全息原理，弦论这些理论，此前并不算是理论物理学研究的主流，但是随着黑洞战争的发展，黑洞信息悖论吸引了越来越多学者的关注，这个问题就吸引了越来越多的学者认真对待全息原理和弦论，这些探索性的理论逐渐成为了理论物理学研究的主流。物理学家通过各种理论来探索和认识宇宙，这就是这场持续了几十年的黑洞战争带给物理学界最大的贡献。
说到这，本期音频的内容就说的差不多了。下面来简单为你总结一下今天为你分享的内容。
首先，我们说到了黑洞到底是什么。黑洞是一种广泛存在于宇宙空间里的一种天体。人类认识到黑洞可能存在已经有两个多世纪的时间了，它是物理学一个非常重要的研究对象。
其次，我们说到了黑洞战争的来龙去脉。三位理论物理学家，包括本书的作者萨斯坎德，霍金，还有特霍夫特三个人围绕着黑洞的性质，从1981年开始进行了一场辩论，可以说一直持续至今。战争的焦点只有一个，就是落入黑洞的信息跑到哪去了。霍金认为这些信息永远地消失了，而另外两人却觉得，信息不可能凭空消失。
最后，我们说到了黑洞战争给物理学研究带来很大的影响。就是因为这几位顶尖的物理学家坚持不懈地研究黑洞的性质，这给物理学界提供了很多新思路，带来了很多的灵感。比如说全息理论、弦论这些有可能把广义相对论和量子力学结合起来的理论，都是随着黑洞战争逐渐发展的。人类有可能最终凭借着对于黑洞的研究，实现物理学两个支柱理论，广义相对论和量子理论的融合。
撰稿：李小刚 脑图：摩西 转述：江宁