茶杯與惡魔如何助力揭開物理學(xué)的神秘面紗？——那些為探究黑洞及其他科學(xué)難題的思想實(shí)驗(yàn)在數(shù)個(gè)世紀(jì)里一再證明其無(wú)可估量的價(jià)值，它能揭示現(xiàn)有理論的軟肋，并催生出全新的思想火花。

撰文 | Patricia Palacios

翻譯 | Meyare

審校 | 7號(hào)機(jī)

阿根廷作家胡里奧·科塔薩爾（Julio Cortázar）在其1967年的短篇小說(shuō)《南方高速》（The Southern Thruway）中，構(gòu)想了一場(chǎng)發(fā)生在巴黎郊外的災(zāi)難性交通堵塞。這場(chǎng)擁堵持續(xù)了數(shù)月之久，迫使司機(jī)們圍繞著他們紋絲不動(dòng)的汽車，建立起一個(gè)全新的社會(huì)。當(dāng)人們被困在仿佛永無(wú)止境的車流中時(shí)，或許許多人的腦海中都曾閃過(guò)這樣的念頭：如果這一切永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)束，世界將會(huì)怎樣……

圖片來(lái)源：pixabay

科塔薩爾在二十世紀(jì)發(fā)表的小說(shuō)常常在奇幻的領(lǐng)域中馳騁，以此來(lái)探尋關(guān)于存在的更深層真理。1980年，他在加州大學(xué)伯克利分校的一系列講座中解釋說(shuō)，在他的作品里，“奇幻是為現(xiàn)實(shí)服務(wù)的。”他繼續(xù)說(shuō)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(xiàn)實(shí)。”

涉足奇幻領(lǐng)域，對(duì)于小說(shuō)家而言似乎是天性使然，但這與科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)精神似乎尖銳對(duì)立。然而，事實(shí)證明，在照亮科學(xué)最黑暗、最神秘的角落時(shí)，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(lǐng)域，比如黑洞內(nèi)部的能量。

這類幻想——正如科塔薩爾筆下那場(chǎng)史詩(shī)般的交通擁堵——實(shí)際上是一種極為有用的思想實(shí)驗(yàn)。如果……將會(huì)怎樣？在物理學(xué)中，思想實(shí)驗(yàn)在數(shù)個(gè)世紀(jì)里一再證明了其無(wú)可估量的價(jià)值，它能揭示現(xiàn)有理論的軟肋，并催生出全新的思想火花。

當(dāng)然，思想實(shí)驗(yàn)不同于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的真實(shí)實(shí)驗(yàn)。它們通常由科學(xué)家在腦海中構(gòu)建的一些虛構(gòu)——有時(shí)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(xué)思想實(shí)驗(yàn)的一部分。這便引出了一個(gè)令人著迷的問題：思想實(shí)驗(yàn)，這種純粹的想象力練習(xí)，究竟是如何教會(huì)我們關(guān)于科學(xué)理論的知識(shí)的——尤其是在今天這個(gè)高度依賴計(jì)算機(jī)模擬的物理學(xué)時(shí)代？正是這個(gè)問題，激勵(lì)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(xué)的一位同事——科學(xué)哲學(xué)家兼史學(xué)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(shù)實(shí)在不精，而我們對(duì)于探討物理學(xué)宏大思想的熱情又無(wú)比高漲，結(jié)果便是在一座極富魅力的小木屋（Hütte）的露臺(tái)上消磨了大半天時(shí)光，反復(fù)思索著思想實(shí)驗(yàn)所扮演的角色。我們最終得出了一個(gè)結(jié)論，并在后來(lái)合著的論文中加以闡述：黑洞物理學(xué)中的思想實(shí)驗(yàn)，能幫助我們揭示不同理論間的聯(lián)系，甚至在某些情況下解決內(nèi)在的矛盾——這與它們?cè)谖锢韺W(xué)史上，包括在廣義相對(duì)論和量子力學(xué)這些革命性理論中，所起的作用如出一轍。

一個(gè)多世紀(jì)以前，物理學(xué)史上最著名的思想實(shí)驗(yàn)之一，就在一條核心定律上撕開了一道口子。這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及想象中的氣體、一扇門，以及——或許是恰如其分地出現(xiàn)了——一只惡魔。

圖片來(lái)源：pixabay

在1867年，熱力學(xué)第二定律正大行其道，是物理學(xué)界至高無(wú)上的法則。它宣稱，在一個(gè)孤立系統(tǒng)（無(wú)論是一個(gè)密閉的房間，還是整個(gè)宇宙）中，熵永不減少；并且，熱量只會(huì)自發(fā)地從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域，絕無(wú)可能反向而行。這條定律之所以在過(guò)去（以及現(xiàn)在）如此重要，原因之一在于它在各個(gè)層面上都引申出一系列推論：它預(yù)言了一杯熱咖啡終將冷卻，預(yù)言了溫差極難維持，甚至預(yù)言了隨著時(shí)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(xué)最黑暗、最神秘的角落時(shí)，扮演著舉足輕重的角色。

就在那一年，蘇格蘭物理學(xué)家、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的先驅(qū)詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）思考了這樣一個(gè)問題：如果存在一個(gè)能與氣體分子玩耍的生靈，將會(huì)怎樣？在他的概念實(shí)驗(yàn)中，他想象有一個(gè)微小的生靈（后來(lái)被稱為“麥克斯韋妖”），它能通過(guò)控制一扇將容器一分為二的小門，來(lái)操控容器內(nèi)氣體分子的流動(dòng)，且自身不消耗任何能量。我們假設(shè)，當(dāng)氣體分子靠近這扇門時(shí)，妖精能夠迅速做出選擇：只允許運(yùn)動(dòng)速度快的分子（產(chǎn)生高溫）從容器的左側(cè)進(jìn)入右側(cè)，同時(shí)只允許運(yùn)動(dòng)速度慢的分子（產(chǎn)生低溫）從右側(cè)回到左側(cè)。

通過(guò)如此操作，妖精便能讓容器的一側(cè)變得越來(lái)越冷，而另一側(cè)則越來(lái)越熱。至關(guān)重要的一點(diǎn)是，這意味著溫差可以在不做任何功的情況下產(chǎn)生，并且在此過(guò)程中，系統(tǒng)的熵也會(huì)減少。

麥克斯韋這只虛構(gòu)的妖精，讓他在那個(gè)時(shí)代最重要的物理定律之一上“戳出了一個(gè)窟窿”。他不僅挑戰(zhàn)了該定律的決定論性質(zhì)，揭示了其存在例外的可能；而且，他更深刻地質(zhì)疑了自然規(guī)律總是遵循簡(jiǎn)單、確定路徑這一觀念。他最終得出結(jié)論：熱力學(xué)第二定律，僅僅在統(tǒng)計(jì)學(xué)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(xué)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(gòu)想無(wú)疑幫助科學(xué)家們將第二定律中深藏的問題變得更為直觀。正如科學(xué)史學(xué)家希梅納·卡納萊斯（Jimena Canales）在其著作《為魔所困》（Bedeviled）中所言：“科學(xué)思想家們利用惡魔的形象來(lái)探索問題，測(cè)試可能性的極限，并更好地理解自然。”

當(dāng)缺乏經(jīng)驗(yàn)證據(jù)時(shí)，自然的某些方面會(huì)變得格外令人費(fèi)解。相對(duì)新興的黑洞熱力學(xué)領(lǐng)域便是如此。這門學(xué)科旨在將溫度等熱力學(xué)性質(zhì)賦予黑洞——這種在天體物理學(xué)中被定義為“無(wú)法逃逸的區(qū)域”的天體。即便對(duì)于最聰明的頭腦而言，這也是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的智力空間。當(dāng)黑洞中的相關(guān)信息至今基本上仍無(wú)法探測(cè)時(shí)，我們很難推測(cè)能量和熵在其中究竟發(fā)生了什么。因此，在這樣的領(lǐng)域里，思想實(shí)驗(yàn)似乎顯得至關(guān)重要。

正如致力于黑洞基礎(chǔ)理論研究的物理哲學(xué)家埃里克·庫(kù)里爾（Erik Curiel）所寫道：“我們究竟為何一開始要假定一個(gè)經(jīng)典的黑洞擁有熵？對(duì)此，最好的答案就暗含在一系列的思想實(shí)驗(yàn)之中。”

圖片來(lái)源：Tasnuva Elahi

為了更好地解釋庫(kù)里爾的立場(chǎng)，讓我們一同乘上時(shí)光機(jī)，回到黑洞熱力學(xué)的起源。在20世紀(jì)70年代初，杰出的物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）想給他在普林斯頓大學(xué)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(gè)黑洞附近端著一杯茶。現(xiàn)在，如果你不喝掉這杯茶，而是將它扔進(jìn)黑洞，會(huì)發(fā)生什么呢？

倘若不借助惡魔的想象，我們能否洞察到熱力學(xué)第二定律中那些潛在的相悖之處？

他運(yùn)用這個(gè)簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)明了熱力學(xué)第二定律和“無(wú)毛定理”（一項(xiàng)廣義相對(duì)論的猜想）之間的內(nèi)在沖突。根據(jù)無(wú)毛定理，一個(gè)黑洞的性質(zhì)完全由幾個(gè)眾所周知的參數(shù)所決定，即它的質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷。惠勒用一句“黑洞無(wú)毛”來(lái)概括此觀點(diǎn)，因?yàn)樗馕吨衅渌畔ⅰ纾P(guān)于這個(gè)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(nèi)。

當(dāng)我們將無(wú)毛定理與熱力學(xué)第二定律在惠勒所提出的情景中結(jié)合起來(lái)時(shí)，問題便浮現(xiàn)了。如果你將一杯茶扔進(jìn)黑洞，熱力學(xué)定律會(huì)預(yù)言黑洞外部的熵減少了。然而，鑒于無(wú)毛定理并未告訴我們?nèi)魏侮P(guān)于黑洞內(nèi)部熵的信息，人們就無(wú)法排除宇宙的總熵在此過(guò)程中確實(shí)減少了的可能性。這一點(diǎn)引人深思，因?yàn)樗馕吨覀兘K究無(wú)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(fā)的思考相似，一些人便將這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)稱為“惠勒的惡魔”。

惠勒的本意，是想通過(guò)提出一些反事實(shí)的情境來(lái)激發(fā)他的學(xué)生，在這些情境中，第二定律將變得在觀測(cè)上毫無(wú)意義，或者用他自己的話來(lái)說(shuō)，被“超越”了。然而，并非所有學(xué)生都對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)印象深刻。例如，另一位杰出的物理學(xué)家羅伯特·瓦爾德（Robert Wald），當(dāng)時(shí)正是惠勒的學(xué)生，他坦言道：“我當(dāng)時(shí)腦海里閃過(guò)的念頭是：‘天哪，我真慶幸自己手頭還有些實(shí)實(shí)在在的好問題可以研究！’”在當(dāng)時(shí)看來(lái)，這或許是一種略帶戲謔的看法，卻也顯得合情合理。

圖片來(lái)源：Triff、urfin / Shutterstock

這些關(guān)于第二定律可能被“超越”的想法，其動(dòng)力并非源于實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，而是來(lái)自那些在現(xiàn)實(shí)世界中不可能發(fā)生的、“思想實(shí)驗(yàn)室”中的構(gòu)想。當(dāng)然，在黑洞附近喝杯茶在物理上是絕無(wú)可能的——強(qiáng)大的引力根本不會(huì)給茶杯容身之所！

那么，我們究竟為何要如此嚴(yán)肅地對(duì)待這些思想實(shí)驗(yàn)，以及其中荒唐的茶會(huì)和狡猾的微型惡魔呢？

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

為了解決無(wú)毛定理與熱力學(xué)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(yuǎn)不會(huì)隨時(shí)間而減少。基于此，貝肯斯坦構(gòu)建出了“廣義第二定律”，即“常規(guī)熵與黑洞熵之和永不減少”。如此一來(lái)，當(dāng)你將一杯茶扔進(jìn)黑洞時(shí)，黑洞熵的增加便足以補(bǔ)償其外部世界熵的減少。第二定律，或者說(shuō)，一個(gè)它的廣義版本最終被成功拯救了！

貝肯斯坦的發(fā)現(xiàn)很快就發(fā)表在他1972年的開創(chuàng)性論文《黑洞與第二定律》之中。自此，一個(gè)如今在物理學(xué)界根基穩(wěn)固、且令無(wú)數(shù)當(dāng)代物理學(xué)家夜不能寐的領(lǐng)域——黑洞熱力學(xué)，就此誕生了。

而這一切的緣起，僅僅是一個(gè)關(guān)于一杯茶的、看似微不足道的設(shè)想。

那次令人頭腦發(fā)熱的滑雪之旅對(duì)談后不久，筆者在明尼蘇達(dá)州的鄉(xiāng)間，一棟漂亮的歐式宅邸里，參加了一場(chǎng)關(guān)于熱力學(xué)基礎(chǔ)的研討會(huì)。會(huì)上，普林斯頓大學(xué)黑洞物理學(xué)的頂尖科學(xué)家胡安·馬爾達(dá)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(qiáng)調(diào)，對(duì)于一個(gè)遠(yuǎn)離物理實(shí)驗(yàn)甚至直接觀測(cè)的領(lǐng)域而言，思想實(shí)驗(yàn)在催生洞見方面扮演了何其重要的角色。

演講結(jié)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(shí)驗(yàn)?zāi)兀俊彼敛华q豫地回答：“幾乎百分之百！”

但是，思想實(shí)驗(yàn)的用武之地，是否真的只局限于那些在實(shí)踐中無(wú)法進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域——比如無(wú)法穿透的黑洞呢？

在物理學(xué)家中存在一種傾向，他們認(rèn)為思想實(shí)驗(yàn)中所涉及的一切幻想，終將要被真實(shí)的、物理的實(shí)驗(yàn)所取代。這種想法或許繼承自經(jīng)驗(yàn)主義的傳統(tǒng)——這一哲學(xué)立場(chǎng)告訴我們，關(guān)于真實(shí)世界的一切知識(shí)，只能來(lái)源于感官經(jīng)驗(yàn)和實(shí)證證據(jù)。

如果你把一杯茶扔進(jìn)黑洞，會(huì)發(fā)生什么？

筆者同意，只有真實(shí)的實(shí)驗(yàn)才能更確鑿地告訴我們，該如何解決那些由思想實(shí)驗(yàn)首次揭示出的矛盾。但筆者也堅(jiān)信，正是因?yàn)橛辛怂枷雽?shí)驗(yàn)中的奇幻構(gòu)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(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)還遠(yuǎn)未被構(gòu)思出來(lái)之前——就能自由地暢想：如果……將會(huì)怎樣？

圖片來(lái)源：Triff、urfin / Shutterstock

在過(guò)去的幾十年里，越來(lái)越多的科學(xué)哲學(xué)家開始強(qiáng)調(diào)虛構(gòu)文學(xué)與科學(xué)之間重要的共通之處。例如，哲學(xué)家羅曼·弗里格（Roman Frigg）在其頗具影響力的論文《模型與虛構(gòu)》（Models and Fictions）中論證道，科學(xué)模型與文學(xué)虛構(gòu)在諸多重要方面都有著共同點(diǎn)，因此，關(guān)于虛構(gòu)的理論能夠反過(guò)來(lái)幫助我們更好地理解科學(xué)是如何運(yùn)作的。在科學(xué)中，虛構(gòu)——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(shí)世界。這表明，科學(xué)與虛構(gòu)之間的壁壘，遠(yuǎn)不像人們通常認(rèn)為的那樣森嚴(yán)。

有趣的是，這與科塔薩爾本人對(duì)這兩門學(xué)科的看法不謀而合。在他伯克利講座的精粹結(jié)集《文學(xué)課》（Literature Class）一書中，他提到——根據(jù)筆者對(duì)其西班牙語(yǔ)原文的翻譯——“文學(xué)在我們看來(lái)，就像一種組合的藝術(shù)，其中奇幻、想象、真理、謊言、任何設(shè)定、任何理論”都同樣受到歡迎。而另一方面，他說(shuō)道，科學(xué)家們似乎長(zhǎng)久以來(lái)都棲居在一個(gè)截然不同的世界里——一個(gè)充滿了確定性和信心的世界。“但當(dāng)我讀到海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理時(shí)，”他感嘆道，“我心想‘該死，他們跟我們一樣啊。’”

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“中科院物理所”，原題目為《如果你把一杯奶茶扔進(jìn)黑洞，會(huì)發(fā)生什么？》，原文鏈接：How Teacups and Demons Help Demystify Physics。

https://nautil.us/how-teacups-and-demons-help-demystify-physics-797444/?_sp=b7d69676-65e8-4745-ae24-2fb44d8d4a08.1751158370190

特 別 提 示

1. 進(jìn)入『返樸』微信公眾號(hào)底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關(guān)注公眾號(hào)，回復(fù)四位數(shù)組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。