據(jù)《科學(xué)美國人》報(bào)道，以色列物理學(xué)家雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）于2015年8月17日逝世，享年68歲。
雅各布·貝肯斯坦（1947-2015）。圖片來源：wikipedia
貝肯斯坦的名字可能在物理學(xué)界之外沒有幾個(gè)人聽說過。但是他所從事的主要領(lǐng)域，卻可能使現(xiàn)代物理學(xué)創(chuàng)造的最廣為人知的概念之一——黑洞。而在黑洞領(lǐng)域，他的貢獻(xiàn)是舉足輕重的。
黑洞是啥？它是黑的。被它吸進(jìn)去的人出不來。進(jìn)了黑洞基本上會(huì)死但也許可以穿越時(shí)空。我們對黑洞的了解大多停留在此，這恐怕還是看過《星際穿越》之后的結(jié)果。它在科幻領(lǐng)域里是重要的道具，但僅此而已。要說和黑洞相關(guān)的名字，大概能想到的也就是斯蒂芬·霍金和基普·索恩了。
但黑洞從它誕生起，就讓物理學(xué)家頭大不已。
黑洞降生在第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)壕中。卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild），德國物理學(xué)家，國防軍炮兵中尉，在東線面對著俄國人的子彈和炮火，靠物理學(xué)來緩解戰(zhàn)爭的恐懼。他在戰(zhàn)壕中患上了一種罕見而極為嚴(yán)重的皮膚病——天皰瘡（Pemphigus），在1916年去世，年僅42歲。但是他生命的最后一年里依然出產(chǎn)了三篇極為重要的論文，其中一篇就是基于愛因斯坦剛剛發(fā)表的廣義相對論而進(jìn)行的推算。他在狹小的戰(zhàn)壕中計(jì)算廣大空間的曲率，卻遇到了一個(gè)難題——方程式在某一點(diǎn)上似乎“爆炸”了，得出了無法理解的結(jié)果。
算出了黑洞的卡爾·史瓦西。圖片來源：wikipedia
五十多年后，物理學(xué)家將這個(gè)無法理解的爆炸稱為“黑洞”。今天我們幾乎可以肯定，黑洞真的存在于我們的宇宙中。
但史瓦西不能理解自己的計(jì)算結(jié)果，不是沒有理由的。一個(gè)黑色的、引力強(qiáng)到連光都無法逃脫的物體，看起來很簡單，卻引發(fā)了不計(jì)其數(shù)的問題。
亞瑟·愛丁頓爵士曾經(jīng)說，“如果有人指出你心愛的宇宙理論和麥克斯韋方程矛盾，那麥克斯韋方程也許會(huì)倒霉。如果你的理論和實(shí)際觀察矛盾，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家有時(shí)候是會(huì)把事情搞砸。但如果你的理論和熱力學(xué)第二定律矛盾——那我不能給你一絲一毫的希望；你的理論必將在最深重的羞辱中轟然坍塌。”
而我們開始對于黑洞的描述，恰恰就是這樣！雅各布·貝肯斯坦發(fā)現(xiàn)，早年對黑洞的描述是和熱力學(xué)沖突的。
如果我們有一團(tuán)熱氣體，它里面分子在快速亂飛，因而很無序，“熵”很高。把它丟進(jìn)黑洞里，一旦跨越了黑洞的“邊界”（“事件視界”），它就出不來了。但進(jìn)去之后會(huì)發(fā)生什么？假如黑洞真的只是一個(gè)無限壓縮器，把所有東西都?jí)旱揭黄?，變成廣義相對論設(shè)想的平滑無特征的一小點(diǎn)，那原來的混亂狀態(tài)就沒了，熵也沒有了。這就是赤裸裸地違反了熱力學(xué)第二定律。
因此，黑洞必須有熵。但光說有不行，到底有多少？
1972年，貝肯斯坦在《物理學(xué)評(píng)論》發(fā)表了一篇里程碑式的論文，標(biāo)題就十分霸氣：《黑洞和熵》。他提出，黑洞的熵就是它的表面積除以普朗克常數(shù)平方再乘以一個(gè)無量綱數(shù)。或者說，越大的黑洞熵越多，和表面積完全成正比。
而且，因?yàn)樾畔⒑挽刂g密不可分的關(guān)系，這篇論文也成功地給黑洞內(nèi)所能包含的信息——乃至有限空間內(nèi)所能包含的最大信息——規(guī)定了上限。今天我們稱之為“貝肯斯坦上限”。
這是一個(gè)典型的能讓所有其他人都變成馬后炮的結(jié)論：講出來之后就很符合直覺，但沒有他的論證，別人就是抓不住。
要問這個(gè)結(jié)論有什么了不起？過去四十年里理論物理學(xué)一些最重要的觀點(diǎn)，全都是在這個(gè)基礎(chǔ)上出來的。
20世紀(jì)物理學(xué)最偉大的兩個(gè)成就，一個(gè)是廣義相對論，一個(gè)是量子力學(xué)。廣義相對論一般用來處理很大的東西——比如引力，比如時(shí)空彎曲；質(zhì)量太小的東西，它不明顯。而量子力學(xué)一般用來對付很小的東西——比原子更??；太大的東西，不好算。
黑洞的質(zhì)量非常大，但又非常致密，能把這巨大的質(zhì)量壓到很小的一點(diǎn)上，這樣兩者就都適用——然而物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們走到一起似乎會(huì)產(chǎn)生矛盾。
這個(gè)矛盾非同小可。物理學(xué)界的圣杯是所謂的“萬物之理”，一個(gè)單一理論解釋所有物理現(xiàn)象。但是在一個(gè)至關(guān)重要的地方——統(tǒng)一四種作用力——物理學(xué)家卡住了。引力和剩下的幾種力看起來簡直大相徑庭，而所屬的理論也不同：引力歸廣義相對論管，而電磁力之類的則是量子力學(xué)。
二者的矛盾必須調(diào)和，要調(diào)和必須找到一個(gè)二者都能發(fā)揮作用的地方——而黑洞就是這樣一個(gè)地方。
要統(tǒng)一四種作用力（尤其是引力和其他三種力），黑洞是至關(guān)重要的入手點(diǎn)。圖片來源：sciencenews.org
在這個(gè)基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了無數(shù)的進(jìn)展。
比如霍金最出名的貢獻(xiàn)之一：霍金輻射。傳統(tǒng)上認(rèn)為黑洞是不能向外發(fā)出任何東西的。當(dāng)初貝肯斯坦提出黑洞熵理論后，霍金曾經(jīng)表示不相信：要有熵就得有溫度，要有溫度就一定要向外發(fā)出熱輻射，這怎么可能！
然而兩年之后霍金意識(shí)到，由于量子力學(xué)的不確定性原理，黑洞真的是會(huì)釋放出一點(diǎn)點(diǎn)輻射的，并且滿足黑體輻射的公式。今天，霍金輻射也被稱為霍金-貝肯斯坦輻射。
再比如黑洞信息悖論。量子力學(xué)是一個(gè)處理概率的學(xué)科，概率和信息是直接對應(yīng)的。但是所謂概率，只有當(dāng)所有可能發(fā)生的情況加起來等于1的時(shí)候才有意義，不然就講不通。這就帶來了一個(gè)后果——信息永遠(yuǎn)不能丟失，也不能被真正復(fù)制。
霍金輻射提出之后，一個(gè)看似自然的推論就是，如果你始終不往黑洞里喂東西，它的輻射最終會(huì)讓自己完全蒸發(fā)。那蒸發(fā)之后的信息哪里去了？自然的想法是這些信息從黑洞里跑掉了——但是黑洞里的信息自己是不能出來的，要跑掉必須復(fù)制，而這一復(fù)制又違背了另一個(gè)規(guī)定。
黑洞會(huì)蒸發(fā)殆盡，進(jìn)入黑洞的信息是隨之消失了（圖左），還是以某種機(jī)制（如圖右的火墻悖論）被保存下來？圖片來源：bibliotecapleyades.net
這個(gè)悖論還沒有完整的解決方案，它背后也許反映了量子力學(xué)是不完備的；解決了它也許就找到了量子力學(xué)和廣義相對論協(xié)調(diào)的方式。但無論如何，它誕生于黑洞的信息和熵理論，解法也一定與貝肯斯坦的貢獻(xiàn)密不可分。
再比如互補(bǔ)性原理和全息原理。它來自對抗黑洞信息悖論的思路之一?；パa(bǔ)性原理認(rèn)為，雖然黑洞里的觀測者是看到信息掉進(jìn)去了，但黑洞外的觀測者看到的只是信息堆在事件視界上，沒有真的掉進(jìn)去。這是廣義相對論的時(shí)間稀釋原理的表現(xiàn)，越靠近黑洞引力越強(qiáng)，時(shí)間流逝越慢，所以外面的人永遠(yuǎn)看不到信息真的落入黑洞。兩個(gè)觀測者不能溝通，所以并不矛盾。
但這就意味著全息原理必須成立——黑洞內(nèi)部的三維的信息，經(jīng)過某種神秘的變換，可以在二維的表面上完全體現(xiàn)出來，并且不涉及引力？雖然聽起來很瘋狂，但一系列證據(jù)表明它可能真的在某些場合下成立。
更加瘋狂的是，后來物理學(xué)家提出，弦理論——就是生活大爆炸里謝耳朵成天用來唬人的那個(gè)理論——和量子理論是等價(jià)的，前提是后者不包含引力而且維度更低。這種神奇的場/弦對應(yīng)和全息理論不謀而合，而且經(jīng)過更復(fù)雜的數(shù)學(xué)把戲之后，真的就能把信息在蒸發(fā)過程中丟出去還不違反量子理論。量子論沒事兒，要修的是相對論。
但別高興得太早，問題還沒解決呢——比如互補(bǔ)性原則推導(dǎo)出來的黑洞火墻悖論。這是一個(gè)更加微妙更加麻煩的悖論，也是過去三年里最令相關(guān)研究者頭大的悖論之一，此處不再詳述；但這依然和黑洞信息、黑洞熵密不可分，依然是貝肯斯坦栽下的樹上開出的花朵之一。
根據(jù)圖左的互補(bǔ)性理論，宇航員在越過視界、一去不復(fù)返時(shí)，其實(shí)什么都沒有發(fā)生——對視界外的人來說，永遠(yuǎn)看不到信息真的落入黑洞；宇航員本人也不會(huì)感覺到任何異樣，直到在奇點(diǎn)被徹底壓扁。量子力學(xué)要求黑洞視界之內(nèi)存在一道輻射“火墻”，將宇航員瞬間焚成灰燼；在這種情況下，信息得以保留，但卻違背了廣義相對論。圖片來源：sciencenews.org
而這棵大樹最終可能會(huì)讓我們解決量子力學(xué)和廣義相對論的沖突，得到完整的量子引力理論——從而克服過去一百年間最為困擾物理學(xué)家的難題。
有些科學(xué)家是天生的明星，但更多的科學(xué)家在學(xué)界之外就默默無聞。以學(xué)術(shù)的角度而言，這絕對不意味著后者就不重要了——貝肯斯坦就是這樣一位研究者。斯人已逝，但他的思想會(huì)繼續(xù)流傳下去，也許將為后世我們最偉大的物理學(xué)成就——萬物之理——奠基。（編輯：Ent）
作者：魏郎爾
來源：果殼網(wǎng)
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