炒股在线配资当茶杯掉进黑洞，思想实验如何推进物理学？

茶杯与恶魔如何助力揭开物理学的神秘面纱？——那些为探究黑洞及其他科学难题的思想实验在数个世纪里一再证明其无可估量的价值，它能揭示现有理论的软肋炒股在线配资，并催生出全新的思想火花。

撰文 | Patricia Palacios

翻译 | Meyare

审校 | 7号机

阿根廷作家胡里奥·科塔萨尔（Julio Cortázar）在其1967年的短篇小说《南方高速》（The Southern Thruway）中，构想了一场发生在巴黎郊外的灾难性交通堵塞。这场拥堵持续了数月之久，迫使司机们围绕着他们纹丝不动的汽车，建立起一个全新的社会。当人们被困在仿佛永无止境的车流中时，或许许多人的脑海中都曾闪过这样的念头：如果这一切永远不会结束，世界将会怎样……

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科塔萨尔在二十世纪发表的小说常常在奇幻的领域中驰骋，以此来探寻关于存在的更深层真理。1980年，他在加州大学伯克利分校的一系列讲座中解释说，在他的作品里，“奇幻是为现实服务的。”他继续说道：

“我所钟爱并试图融入自己作品的，正是那种幻想、奇幻与想象的交织。它最终能做的，便是以一种更清晰、更有力的方式，投射出我们周遭的现实。”

涉足奇幻领域，对于小说家而言似乎是天性使然，但这与科学的严谨精神似乎尖锐对立。然而，事实证明，在照亮科学最黑暗、最神秘的角落时，幻想或许扮演着同样重要的角色——这其中，甚至包括了那些看似遥不可及的研究领域，比如黑洞内部的能量。

这类幻想——正如科塔萨尔笔下那场史诗般的交通拥堵——实际上是一种极为有用的思想实验。如果……将会怎样？在物理学中，思想实验在数个世纪里一再证明了其无可估量的价值，它能揭示现有理论的软肋，并催生出全新的思想火花。

当然，思想实验不同于在实验室中进行的真实实验。它们通常由科学家在脑海中构建的一些虚构——有时甚至是天马行空——的情境所组成：恶魔、鬼神、巨大的茶杯……这些都可以成为科学思想实验的一部分。这便引出了一个令人着迷的问题：思想实验，这种纯粹的想象力练习，究竟是如何教会我们关于科学理论的知识的——尤其是在今天这个高度依赖计算机模拟的物理学时代？正是这个问题，激励着笔者开启了自己研究生涯的全新篇章。

几年前，笔者与萨尔茨堡大学的一位同事——科学哲学家兼史学家拉瓦德·埃尔·斯卡夫（Rawad El Skaf）——同游阿尔卑斯山。奈何笔者的滑雪技术实在不精，而我们对于探讨物理学宏大思想的热情又无比高涨，结果便是在一座极富魅力的小木屋（Hütte）的露台上消磨了大半天时光，反复思索着思想实验所扮演的角色。我们最终得出了一个结论，并在后来合著的论文中加以阐述：黑洞物理学中的思想实验，能帮助我们揭示不同理论间的联系，甚至在某些情况下解决内在的矛盾——这与它们在物理学史上，包括在广义相对论和量子力学这些革命性理论中，所起的作用如出一辙。

一个多世纪以前，物理学史上最著名的思想实验之一，就在一条核心定律上撕开了一道口子。这个实验涉及想象中的气体、一扇门，以及——或许是恰如其分地出现了——一只恶魔。

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在1867年，热力学第二定律正大行其道，是物理学界至高无上的法则。它宣称，在一个孤立系统（无论是一个密闭的房间，还是整个宇宙）中，熵永不减少；并且，热量只会自发地从高温区域流向低温区域，绝无可能反向而行。这条定律之所以在过去（以及现在）如此重要，原因之一在于它在各个层面上都引申出一系列推论：它预言了一杯热咖啡终将冷却，预言了温差极难维持，甚至预言了随着时间的流逝，我们将垂垂老矣，而非重返青春。

幻想，或许在照亮科学最黑暗、最神秘的角落时，扮演着举足轻重的角色。

就在那一年，苏格兰物理学家、统计物理学的先驱詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）思考了这样一个问题：如果存在一个能与气体分子玩耍的生灵，将会怎样？在他的概念实验中，他想象有一个微小的生灵（后来被称为“麦克斯韦妖”），它能通过控制一扇将容器一分为二的小门，来操控容器内气体分子的流动，且自身不消耗任何能量。我们假设，当气体分子靠近这扇门时，妖精能够迅速做出选择：只允许运动速度快的分子（产生高温）从容器的左侧进入右侧，同时只允许运动速度慢的分子（产生低温）从右侧回到左侧。

通过如此操作，妖精便能让容器的一侧变得越来越冷，而另一侧则越来越热。至关重要的一点是，这意味着温差可以在不做任何功的情况下产生，并且在此过程中，系统的熵也会减少。

麦克斯韦这只虚构的妖精，让他在那个时代最重要的物理定律之一上“戳出了一个窟窿”。他不仅挑战了该定律的决定论性质，揭示了其存在例外的可能；而且，他更深刻地质疑了自然规律总是遵循简单、确定路径这一观念。他最终得出结论：热力学第二定律，仅仅在统计学意义上是成立的。

倘若不借助恶魔的想象，我们能否洞察到热力学第二定律中那些潜在的相悖之处？或许可以，但这些奇幻的构想无疑帮助科学家们将第二定律中深藏的问题变得更为直观。正如科学史学家希梅纳·卡纳莱斯（Jimena Canales）在其著作《为魔所困》（Bedeviled）中所言：“科学思想家们利用恶魔的形象来探索问题，测试可能性的极限，并更好地理解自然。”

当缺乏经验证据时，自然的某些方面会变得格外令人费解。相对新兴的黑洞热力学领域便是如此。这门学科旨在将温度等热力学性质赋予黑洞——这种在天体物理学中被定义为“无法逃逸的区域”的天体。即便对于最聪明的头脑而言，这也是一个极具挑战性的智力空间。当黑洞中的相关信息至今基本上仍无法探测时，我们很难推测能量和熵在其中究竟发生了什么。因此，在这样的领域里，思想实验似乎显得至关重要。

正如致力于黑洞基础理论研究的物理哲学家埃里克·库里尔（Erik Curiel）所写道：“我们究竟为何一开始要假定一个经典的黑洞拥有熵？对此，最好的答案就暗含在一系列的思想实验之中。”

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为了更好地解释库里尔的立场，让我们一同乘上时光机，回到黑洞热力学的起源。在20世纪70年代初，杰出的物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）想给他在普林斯顿大学的研究生们出一道难题。于是，他提出了以下情景：想象一下，你在一个黑洞附近端着一杯茶。现在，如果你不喝掉这杯茶，而是将它扔进黑洞，会发生什么呢？

倘若不借助恶魔的想象，我们能否洞察到热力学第二定律中那些潜在的相悖之处？

他运用这个简单的思想实验，点明了热力学第二定律和“无毛定理”（一项广义相对论的猜想）之间的内在冲突。根据无毛定理，一个黑洞的性质完全由几个众所周知的参数所决定，即它的质量、角动量和电荷。惠勒用一句“黑洞无毛”来概括此观点，因为它意味着所有其他信息——例如，关于这个黑洞是如何形成的信息——都将消失在黑洞的边界（即其“事件视界”）之内。

当我们将无毛定理与热力学第二定律在惠勒所提出的情景中结合起来时，问题便浮现了。如果你将一杯茶扔进黑洞，热力学定律会预言黑洞外部的熵减少了。然而，鉴于无毛定理并未告诉我们任何关于黑洞内部熵的信息，人们就无法排除宇宙的总熵在此过程中确实减少了的可能性。这一点引人深思，因为它意味着我们终究无法断定第二定律是否可能被违背。由于其后果与麦克斯韦妖所引发的思考相似，一些人便将这个思想实验称为“惠勒的恶魔”。

惠勒的本意，是想通过提出一些反事实的情境来激发他的学生，在这些情境中，第二定律将变得在观测上毫无意义，或者用他自己的话来说，被“超越”了。然而，并非所有学生都对这个挑战印象深刻。例如，另一位杰出的物理学家罗伯特·瓦尔德（Robert Wald），当时正是惠勒的学生，他坦言道：“我当时脑海里闪过的念头是：‘天哪，我真庆幸自己手头还有些实实在在的好问题可以研究！’”在当时看来，这或许是一种略带戏谑的看法，却也显得合情合理。

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这些关于第二定律可能被“超越”的想法，其动力并非源于实验室里进行的真实实验，而是来自那些在现实世界中不可能发生的、“思想实验室”中的构想。当然，在黑洞附近喝杯茶在物理上是绝无可能的——强大的引力根本不会给茶杯容身之所！

那么，我们究竟为何要如此严肃地对待这些思想实验，以及其中荒唐的茶会和狡猾的微型恶魔呢？

雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein），当时惠勒门下另一位杰出的物理学家，给我们上了重要的一课。与瓦尔德的态度截然相反，他决定非常严肃地对待惠勒提出的挑战，并开始探寻各种能够“拯救”第二定律的方法。

为了解决无毛定理与热力学第二定律之间的冲突，他大胆猜想：黑洞拥有的熵，与其自身的表面积成正比。这一定义黑洞熵的新想法，其灵感源于斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在1971年提出的著名“面积定理”，该定理指出，黑洞事件视界的表面积永远不会随时间而减少。基于此，贝肯斯坦构建出了“广义第二定律”，即“常规熵与黑洞熵之和永不减少”。如此一来，当你将一杯茶扔进黑洞时，黑洞熵的增加便足以补偿其外部世界熵的减少。第二定律，或者说，一个它的广义版本最终被成功拯救了！

贝肯斯坦的发现很快就发表在他1972年的开创性论文《黑洞与第二定律》之中。自此，一个如今在物理学界根基稳固、且令无数当代物理学家夜不能寐的领域——黑洞热力学，就此诞生了。

而这一切的缘起，仅仅是一个关于一杯茶的、看似微不足道的设想。

那次令人头脑发热的滑雪之旅对谈后不久，笔者在明尼苏达州的乡间，一栋漂亮的欧式宅邸里，参加了一场关于热力学基础的研讨会。会上，普林斯顿大学黑洞物理学的顶尖科学家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）展示了他的最新研究成果。在他的演讲中，他着重强调，对于一个远离物理实验甚至直接观测的领域而言，思想实验在催生洞见方面扮演了何其重要的角色。

演讲结束后，我直接问他：“您的研究成果在多大程度上依赖于思想实验呢？”他毫不犹豫地回答：“几乎百分之百！”

但是，思想实验的用武之地，是否真的只局限于那些在实践中无法进行直接实验的领域——比如无法穿透的黑洞呢？

在物理学家中存在一种倾向，他们认为思想实验中所涉及的一切幻想，终将要被真实的、物理的实验所取代。这种想法或许继承自经验主义的传统——这一哲学立场告诉我们，关于真实世界的一切知识，只能来源于感官经验和实证证据。

如果你把一杯茶扔进黑洞，会发生什么？

笔者同意，只有真实的实验才能更确凿地告诉我们，该如何解决那些由思想实验首次揭示出的矛盾。但笔者也坚信，正是因为有了思想实验中的奇幻构想，我们才能以一种清晰而直观的方式，看清不同理论间的扞格与冲突。它们让我们——甚至在实验室中的实验还远未被构思出来之前——就能自由地畅想：如果……将会怎样？

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在过去的几十年里，越来越多的科学哲学家开始强调虚构文学与科学之间重要的共通之处。例如，哲学家罗曼·弗里格（Roman Frigg）在其颇具影响力的论文《模型与虚构》（Models and Fictions）中论证道，科学模型与文学虚构在诸多重要方面都有着共同点，因此，关于虚构的理论能够反过来帮助我们更好地理解科学是如何运作的。在科学中，虚构——乃至幻想——都可以被用作一种工具，以更好地理解我们的理论和真实世界。这表明，科学与虚构之间的壁垒，远不像人们通常认为的那样森严。

有趣的是，这与科塔萨尔本人对这两门学科的看法不谋而合。在他伯克利讲座的精粹结集《文学课》（Literature Class）一书中，他提到——根据笔者对其西班牙语原文的翻译——“文学在我们看来，就像一种组合的艺术，其中奇幻、想象、真理、谎言、任何设定、任何理论”都同样受到欢迎。而另一方面，他说道，科学家们似乎长久以来都栖居在一个截然不同的世界里——一个充满了确定性和信心的世界。“但当我读到海森堡的测不准原理时，”他感叹道，“我心想‘该死，他们跟我们一样啊。’”

本文经授权转载自微信公众号“中科院物理所”，原题目为《如果你把一杯奶茶扔进黑洞，会发生什么？》，原文链接：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