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阿根廷作家胡里奧·科塔薩爾（Julio Cortázar）在其1967年的短篇小說《南方高速》（The Southern Thruway）中，構想了一場發生在巴黎郊外的災難性交通堵塞。這場擁堵持續了數月之久，迫使司機們圍繞著他們紋絲不動的汽車，建立起一個全新的社會。當人們被困在仿佛永無止境的車流中時，或許許多人的腦海中都曾閃過這樣的念頭：如果這一切永遠不會結束，世界將會怎樣……

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科塔薩爾在二十世紀發表的小說常常在奇幻的領域中馳騁，以此來探尋關于存在的更深層真理。1980年，他在加州大學伯克利分校的一系列講座中解釋說，在他的作品里，“奇幻是為現實服務的。”他繼續說道：

“我所鐘愛并試圖融入自己作品的，正是那種幻想、奇幻與想象的交織。它最終能做的，便是以一種更清晰、更有力的方式，投射出我們周遭的現實。”

涉足奇幻領域，對于小說家而言似乎是天性使然，但這與科學的嚴謹精神似乎尖銳對立。然而，事實證明，在照亮科學最黑暗、最神秘的角落時，幻想或許扮演著同樣重要的角色——這其中，甚至包括了那些看似遙不可及的研究領域，比如黑洞內部的能量。

這類幻想——正如科塔薩爾筆下那場史詩般的交通擁堵——實際上是一種極為有用的思想實驗。如果……將會怎樣？在物理學中，思想實驗在數個世紀里一再證明了其無可估量的價值，它能揭示現有理論的軟肋，并催生出全新的思想火花。

當然，思想實驗不同于在實驗室中進行的真實實驗。它們通常由科學家在腦海中構建的一些虛構——有時甚至是天馬行空——的情境所組成：惡魔、鬼神、巨大的茶杯……這些都可以成為科學思想實驗的一部分。這便引出了一個令人著迷的問題：思想實驗，這種純粹的想象力練習，究竟是如何教會我們關于科學理論的知識的——尤其是在今天這個高度依賴計算機模擬的物理學時代？正是這個問題，激勵著筆者開啟了自己研究生涯的全新篇章。

幾年前，筆者與薩爾茨堡大學的一位同事——科學哲學家兼史學家拉瓦德·埃爾·斯卡夫（Rawad El Skaf）——同游阿爾卑斯山。奈何筆者的滑雪技術實在不精，而我們對于探討物理學宏大思想的熱情又無比高漲，結果便是在一座極富魅力的小木屋（Hütte）的露臺上消磨了大半天時光，反復思索著思想實驗所扮演的角色。我們最終得出了一個結論，并在后來合著的論文中加以闡述：黑洞物理學中的思想實驗，能幫助我們揭示不同理論間的聯系，甚至在某些情況下解決內在的矛盾——這與它們在物理學史上，包括在廣義相對論和量子力學這些革命性理論中，所起的作用如出一轍。

一個多世紀以前，物理學史上最著名的思想實驗之一，就在一條核心定律上撕開了一道口子。這個實驗涉及想象中的氣體、一扇門，以及——或許是恰如其分地出現了——一只惡魔。

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在1867年，熱力學第二定律正大行其道，是物理學界至高無上的法則。它宣稱，在一個孤立系統（無論是一個密閉的房間，還是整個宇宙）中，熵永不減少；并且，熱量只會自發地從高溫區域流向低溫區域，絕無可能反向而行。這條定律之所以在過去（以及現在）如此重要，原因之一在于它在各個層面上都引申出一系列推論：它預言了一杯熱咖啡終將冷卻，預言了溫差極難維持，甚至預言了隨著時間的流逝，我們將垂垂老矣，而非重返青春。

幻想，或許在照亮科學最黑暗、最神秘的角落時，扮演著舉足輕重的角色。

就在那一年，蘇格蘭物理學家、統計物理學的先驅詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）思考了這樣一個問題：如果存在一個能與氣體分子玩耍的生靈，將會怎樣？在他的概念實驗中，他想象有一個微小的生靈（后來被稱為“麥克斯韋妖”），它能通過控制一扇將容器一分為二的小門，來操控容器內氣體分子的流動，且自身不消耗任何能量。我們假設，當氣體分子靠近這扇門時，妖精能夠迅速做出選擇：只允許運動速度快的分子（產生高溫）從容器的左側進入右側，同時只允許運動速度慢的分子（產生低溫）從右側回到左側。

通過如此操作，妖精便能讓容器的一側變得越來越冷，而另一側則越來越熱。至關重要的一點是，這意味著溫差可以在不做任何功的情況下產生，并且在此過程中，系統的熵也會減少。

麥克斯韋這只虛構的妖精，讓他在那個時代最重要的物理定律之一上“戳出了一個窟窿”。他不僅挑戰了該定律的決定論性質，揭示了其存在例外的可能；而且，他更深刻地質疑了自然規律總是遵循簡單、確定路徑這一觀念。他最終得出結論：熱力學第二定律，僅僅在統計學意義上是成立的。

倘若不借助惡魔的想象，我們能否洞察到熱力學第二定律中那些潛在的相悖之處？或許可以，但這些奇幻的構想無疑幫助科學家們將第二定律中深藏的問題變得更為直觀。正如科學史學家希梅納·卡納萊斯（Jimena Canales）在其著作《為魔所困》（Bedeviled）中所言：“科學思想家們利用惡魔的形象來探索問題，測試可能性的極限，并更好地理解自然。”

當缺乏經驗證據時，自然的某些方面會變得格外令人費解。相對新興的黑洞熱力學領域便是如此。這門學科旨在將溫度等熱力學性質賦予黑洞——這種在天體物理學中被定義為“無法逃逸的區域”的天體。即便對于最聰明的頭腦而言，這也是一個極具挑戰性的智力空間。當黑洞中的相關信息至今基本上仍無法探測時，我們很難推測能量和熵在其中究竟發生了什么。因此，在這樣的領域里，思想實驗似乎顯得至關重要。

正如致力于黑洞基礎理論研究的物理哲學家埃里克·庫里爾（Erik Curiel）所寫道：“我們究竟為何一開始要假定一個經典的黑洞擁有熵？對此，最好的答案就暗含在一系列的思想實驗之中。”

圖片來源：Tasnuva Elahi

為了更好地解釋庫里爾的立場，讓我們一同乘上時光機，回到黑洞熱力學的起源。在20世紀70年代初，杰出的物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）想給他在普林斯頓大學的研究生們出一道難題。于是，他提出了以下情景：想象一下，你在一個黑洞附近端著一杯茶。現在，如果你不喝掉這杯茶，而是將它扔進黑洞，會發生什么呢？

倘若不借助惡魔的想象，我們能否洞察到熱力學第二定律中那些潛在的相悖之處？

他運用這個簡單的思想實驗，點明了熱力學第二定律和“無毛定理”（一項廣義相對論的猜想）之間的內在沖突。根據無毛定理，一個黑洞的性質完全由幾個眾所周知的參數所決定，即它的質量、角動量和電荷。惠勒用一句“黑洞無毛”來概括此觀點，因為它意味著所有其他信息——例如，關于這個黑洞是如何形成的信息——都將消失在黑洞的邊界（即其“事件視界”）之內。

當我們將無毛定理與熱力學第二定律在惠勒所提出的情景中結合起來時，問題便浮現了。如果你將一杯茶扔進黑洞，熱力學定律會預言黑洞外部的熵減少了。然而，鑒于無毛定理并未告訴我們任何關于黑洞內部熵的信息，人們就無法排除宇宙的總熵在此過程中確實減少了的可能性。這一點引人深思，因為它意味著我們終究無法斷定第二定律是否可能被違背。由于其后果與麥克斯韋妖所引發的思考相似，一些人便將這個思想實驗稱為“惠勒的惡魔”。

惠勒的本意，是想通過提出一些反事實的情境來激發他的學生，在這些情境中，第二定律將變得在觀測上毫無意義，或者用他自己的話來說，被“超越”了。然而，并非所有學生都對這個挑戰印象深刻。例如，另一位杰出的物理學家羅伯特·瓦爾德（Robert Wald），當時正是惠勒的學生，他坦言道：“我當時腦海里閃過的念頭是：‘天哪，我真慶幸自己手頭還有些實實在在的好問題可以研究！’”在當時看來，這或許是一種略帶戲謔的看法，卻也顯得合情合理。

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這些關于第二定律可能被“超越”的想法，其動力并非源于實驗室里進行的真實實驗，而是來自那些在現實世界中不可能發生的、“思想實驗室”中的構想。當然，在黑洞附近喝杯茶在物理上是絕無可能的——強大的引力根本不會給茶杯容身之所！

那么，我們究竟為何要如此嚴肅地對待這些思想實驗，以及其中荒唐的茶會和狡猾的微型惡魔呢？

雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein），當時惠勒門下另一位杰出的物理學家，給我們上了重要的一課。與瓦爾德的態度截然相反，他決定非常嚴肅地對待惠勒提出的挑戰，并開始探尋各種能夠“拯救”第二定律的方法。

為了解決無毛定理與熱力學第二定律之間的沖突，他大膽猜想：黑洞擁有的熵，與其自身的表面積成正比。這一定義黑洞熵的新想法，其靈感源于斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在1971年提出的著名“面積定理”，該定理指出，黑洞事件視界的表面積永遠不會隨時間而減少。基于此，貝肯斯坦構建出了“廣義第二定律”，即“常規熵與黑洞熵之和永不減少”。如此一來，當你將一杯茶扔進黑洞時，黑洞熵的增加便足以補償其外部世界熵的減少。第二定律，或者說，一個它的廣義版本最終被成功拯救了！

貝肯斯坦的發現很快就發表在他1972年的開創性論文《黑洞與第二定律》之中。自此，一個如今在物理學界根基穩固、且令無數當代物理學家夜不能寐的領域——黑洞熱力學，就此誕生了。

而這一切的緣起，僅僅是一個關于一杯茶的、看似微不足道的設想。

那次令人頭腦發熱的滑雪之旅對談后不久，筆者在明尼蘇達州的鄉間，一棟漂亮的歐式宅邸里，參加了一場關于熱力學基礎的研討會。會上，普林斯頓大學黑洞物理學的頂尖科學家胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）展示了他的最新研究成果。在他的演講中，他著重強調，對于一個遠離物理實驗甚至直接觀測的領域而言，思想實驗在催生洞見方面扮演了何其重要的角色。

演講結束后，我直接問他：“您的研究成果在多大程度上依賴于思想實驗呢？”他毫不猶豫地回答：“幾乎百分之百！”

但是，思想實驗的用武之地，是否真的只局限于那些在實踐中無法進行直接實驗的領域——比如無法穿透的黑洞呢？

在物理學家中存在一種傾向，他們認為思想實驗中所涉及的一切幻想，終將要被真實的、物理的實驗所取代。這種想法或許繼承自經驗主義的傳統——這一哲學立場告訴我們，關于真實世界的一切知識，只能來源于感官經驗和實證證據。

如果你把一杯茶扔進黑洞，會發生什么？

筆者同意，只有真實的實驗才能更確鑿地告訴我們，該如何解決那些由思想實驗首次揭示出的矛盾。但筆者也堅信，正是因為有了思想實驗中的奇幻構想，我們才能以一種清晰而直觀的方式，看清不同理論間的捍格與沖突。它們讓我們——甚至在實驗室中的實驗還遠未被構思出來之前——就能自由地暢想：如果……將會怎樣？

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在過去的幾十年里，越來越多的科學哲學家開始強調虛構文學與科學之間重要的共通之處。例如，哲學家羅曼·弗里格（Roman Frigg）在其頗具影響力的論文《模型與虛構》（Models and Fictions）中論證道，科學模型與文學虛構在諸多重要方面都有著共同點，因此，關于虛構的理論能夠反過來幫助我們更好地理解科學是如何運作的。在科學中，虛構——乃至幻想——都可以被用作一種工具，以更好地理解我們的理論和真實世界。這表明，科學與虛構之間的壁壘，遠不像人們通常認為的那樣森嚴。

有趣的是，這與科塔薩爾本人對這兩門學科的看法不謀而合。在他伯克利講座的精粹結集《文學課》（Literature Class）一書中，他提到——根據筆者對其西班牙語原文的翻譯——“文學在我們看來，就像一種組合的藝術，其中奇幻、想象、真理、謊言、任何設定、任何理論”都同樣受到歡迎。而另一方面，他說道，科學家們似乎長久以來都棲居在一個截然不同的世界里——一個充滿了確定性和信心的世界。“但當我讀到 海森堡的測不準原理時 ，”他感嘆道，“我心想‘該死，他們跟我們一樣啊。’”

作者：Patricia Palacios

翻譯：Meyare

審校：7號機

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編輯：7號機

翻譯內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場