引言

吾欲知神甚多，神予吾者太吝。

——罗伯特·安森·海因莱因

《异乡异客》

在东非稀树草原的某个地方，一头年迈的狮子正在寻觅它的美餐，它很想捕捉年老体弱、行动迟缓的猎物，但眼前只有一头年轻而健康的羚羊，是它唯一可能的选择。羚羊的双眼非常适合巡视四周，它用谨慎的目光搜索着捕食者危险的活动区域。捕食者的目光正视前方，极适合于锁定它的猎物和测量距离。

羚羊这次的大角度扫描漏过了捕食者，它漫步到了被捕击的范围之内。狮子强有力的后缩，然后猛然冲向那惊慌的猎物。永恒的比赛重新开始了。

尽管狮子已被年龄拖累，但这头大型的猫科动物依然是出色的短跑运动员。起初它们之间的距离开始接近，但是狮子强有力的快肌纤维渐渐变得缺氧。不久羚羊天生的耐力取胜了，在某一刻，狮子与它猎物之间的相对速度变化了；距离从起初变短，慢慢开始拉大。好运稍纵即逝，狮子殿下意识到失败了，它灰溜溜地回到灌木丛中。

5万年前，一个疲倦的猎人发现了一个被大石块挡住的山洞口：如果他能移走这个沉重的阻碍物，那么这个洞口将是一个安全的休息场所。这个猎人直立着，这不同于他的猿人祖先。他站在那里用力地推石块，石块不动。为了找到一个更好的角度，他移动双腿，调节与石块的距离。当他的身体几乎处于水平时，所施的力在有效的方向上，有一个很大的分量，大石块被移动了。

距离？速度？符号的改变？角度？分量？猎人未受教育的头脑中发生了令人难以置信的、复杂的计算，狮子的头脑中也同样如此。我们通常是在大学物理教科书上首次遇到这些专门概念的。狮子从哪里学会测量猎物的速度，以及更为重要的相对速度呢？猎人学习过物理课程中力的概念吗？他了解三角学中计算正弦和余弦的方法吗？

当然，事实上所有复杂的生物物种都有着内在的、天生的物理概念，这是通过进化灌输到它们的神经系统中的。如果没有这些预编的物理程序，它们就无法生存。变异和自然选择使我们甚至是动物都成了物理学家。对人类而言，大尺寸的大脑使得这些本能进化成我们意识层次上的概念。

重新装备自己

事实上，我们都是经典物理学家。我们在很浅显的水平上感觉到力、速度和加速度。在《异乡异客》（1961）这部科幻小说中，罗伯特·海因莱因（Robert Heinlein）创造了一个专用词汇“干扰克” 来表达对现象深层次直觉，近乎本能的理解。我干扰克力、速度和加速度。我干扰克三维空间。我干扰克时间和数字5。一块石头和一支矛的轨迹是可以干扰克的。但对于我的悟性，标准的干扰克用到十维时空，或者数字10 1000 时就失效了，当用到电子世界和海森伯不确定原理时将会更糟。

20世纪初，大量的直觉观念失效；物理学在完全陌生的现象面前显得不知所措。当阿尔伯特·迈克耳孙（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）发现地球在假设的以太中的轨道运动不可观测时，我的祖父已经10岁了；直到他二十几岁电子才被发现；当他30岁时，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表了他的狭义相对论，海森伯（Heisenberg）发现不确定原理时他已经步入中年了。进化的压力不可能使我们对这些根本不同的世界产生本能的认识。但是，我们（至少我们当中的某些人）的神经网络事先为重新装备做好了准备，这使得我们不仅可以询问这些晦涩的现象，而且可以创造精确的抽象概念，即新的、非直觉的深刻概念来处理和解释它们。

当速度快到几乎可以与转瞬即逝的光的速度相比拟时，速度就是大脑第一个需要重新装备的。在20世纪之前，没有任何动物的速度能超过每小时100英里（1英里约为1.6千米），甚至在今天，仅仅是出于科学的目的才涉及光速多快。光一点儿也不动：当发光体被接通时，光是瞬时出现的。早期的人类不需要硬接装备线来协调诸如光速这样的超高速度。

瞬间产生速度是需要重新装备的。爱因斯坦决不是顿悟者；他在困惑中苦苦奋斗了10年来取代牛顿的装备。但对当时的物理学家而言，似乎在他们之中自发地出现了一个全新的人种，爱因斯坦不是用三维的空间，而是用四维的时空来审视世界。

物理学家通常的看法是，爱因斯坦又奋斗了10年来统一狭义相对论和牛顿的引力理论。广义相对论产生了，它深刻地改变了关于几何的所有传统观念。时空变得有弹性、弯曲或扭曲，它对物质存在的反应就像一张应力作用下的橡皮膜。原先的时空是被动的，它的几何性质是固定的。在广义相对论中，时空成为积极的表演者：像行星和恒星那样的大质量的物体可以使它变形，但是没有大量必要的数学是无法具体化理解这些的。

1900年，爱因斯坦登上舞台的5年前，伴随着光是由光子或光量子组成的发现，产生了另一个怪诞的范例。光子理论仅仅是革命的一个导火索，智力体操比目前所见的任何事物都要抽象得多。量子力学不仅仅是自然界的一个新法则，它改变了任何心智正常的人用来推理的经典逻辑规则。这似乎很疯狂。但无论疯狂与否，物理学家可以用称之为量子逻辑的新逻辑来重新装备自己。在第4章中，我会解释所有需要了解的量子力学知识。准备好吧，任何人都会被它迷惑！

相对论和量子力学创世伊始，就是一对勉为其难的伴侣。当它们被强迫结合在一起时，冲突发生了：物理学家所提出的任何问题，数学上都给出了令人烦恼的无穷大。经过了半个世纪才调和了量子力学和狭义相对论之间的矛盾，数学上的不一致性最终被消除了。到了20世纪50年代早期，理查德·费曼（Richard Feynman）、朱力安·施温格尔（Julian Schwinger）、朝永振一郎（Sin-Itiro Tomanaga）和弗里曼·戴森（Freeman Dyson）为狭义相对论和量子力学的结合奠定了基础，量子场论诞生了。虽然尝试无数，但是广义相对论（狭义相对论和牛顿引力理论的结合）和量子力学之间依然是无法调和的。费曼、史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、布赖斯·德威特（Bryce DeWitt）和约翰·惠勒（John Wheeler）都曾尝试量子化爱因斯坦的引力方程，但得到的尽是数学废话。这可能并不令人感到惊奇。量子力学是非常轻的物体的运动规律。相比较而言，引力只是对一些非常重的物体才显得重要。看来并不存在轻得足以使量子力学有效，重得足以使引力成为重要的物体，所以一切都是安全的。因此，在整个20世纪后半叶，许多物理学家认为对统一理论的追求是毫无价值的，只适合于怪人和哲学家。

但是，其他人认为这是一种目光短浅的观点。存在这样两种不相容的，甚至是矛盾的自然理论，对他们而言是无法忍受的。他们相信引力必然在研究物质最小构成砖块的性质时产生影响。问题是物理学家还没有探测得足够深入。他们确实是正确的：到达世界的基石时，距离太短以至于无法直接观测，自然界最小的物体之间存在着强大的引力。

当前，人们普遍相信引力和量子力学对于确定基本粒子的法则处于同等重要的地位。但是，自然界的基本组成砖块出奇的小，因此如果需要用极端的重新装备来理解它们也是不足为奇的。无论这种新的装备是什么，我们将称它为量子引力，即使我们不知道它的具体形式，我们也可以很肯定地说：这种新的模式将包含极为新奇的时空观念。关于时空点和时刻的客观实在性即将过时，和同时性、决定论一样销声匿迹，终将成为昨日黄花。量子引力描述了一个比我们所能想象的更为主观的实在。我们将在第18章可以看到，就许多方面而言，这个实在性，就像一个全息图的幽灵般的三维幻象。

理论物理学家正在努力奋斗，想在陌生的领域占有一席之地。正如过去一样，思想实验导致基本原理之间存在轻微的佯谬和冲突。这本书是关于一个思想实验的智力之战。1976年史蒂芬·霍金（Stephan Hawking）想象把一些信息，诸如一本书、一台电脑，抑或是一个基本粒子抛入黑洞之中。霍金认为黑洞是最终的陷阱，那些信息在外面的世界中，会永久地消失。这种言论听上去好像无害，但事实并非如此，它威胁和推翻了现代物理学的整个体系。自然界最基本的定律，信息守恒已处于严重的危机之中，这件事情极不寻常。对于关注此事的人，认为要么是霍金错了，要么是已建立300年之久的物理核心不成立了。

起初很少有人关注此事。将近20年的论战在很大程度上默默无闻地进行着。我和伟大的荷兰物理学家赫拉德·特霍夫特（Gerard’t Hooft）组成两人的队伍，处于智力派的一面。史蒂芬·霍金和人数不多的相对论军团为对立的一面。直到20世纪90年代早期，绝大多数的理论物理学家，尤其是弦理论家在霍金提出的威胁中觉悟过来，而他们大部分都误解了，至少是暂时误解了。

黑洞战争是名副其实的科学论战，完全不同于关于智能设计或温室效应是否存在的伪论辩。那些空头的争论，都是出于政治操纵来迷惑纯真的大众，丝毫不能体现真正不同的科学观点。相比之下，关于黑洞的观点分歧是真正的。杰出的理论物理学家对物理学原理的取舍不能达成一致。他们是应该追随霍金关于时空的保守观点，还是我和特霍夫特关于量子力学的保守观点呢？似乎任何观点都导致佯谬和矛盾。要么自然法则演绎舞台的时空不是我们所想的那样，要么神圣的熵和信息原理错了。成千上万年的认知进化和数百年的物理经验又一次欺骗了我们，我们发现我们自身需要一种新的智力装备。

黑洞战争是一首歌，它赞美了人类心智及其发现自然界法则的非凡能力。它对世界的解释，比量子力学和相对论还要远离我们的判断。量子引力处理的是质子万亿亿分之一的物体。我们从未直接体验过如此小的东西，或许永远也无法体验，但是人类的创造力赋予我们追溯它们存在的根源。令人惊奇的是，通往那个世界的入口，竟是有着巨大的质量和尺寸的物体：黑洞。

黑洞战争同时也是一部发现史。全息原理是所有物理领域内的直觉抽象之一。它是一场关于落入黑洞中的信息的命运，长达20多年的智力争战。这不是愤怒的敌对者之间的战争，实际上所有的参与者都是朋友。然而，它是一场深深尊重对方，但又持有完全不同意见的双方之间关于思想的智力争战。

我们需要纠正一个流传甚广的观点。物理学家，尤其是理论物理学家，在公众当中通常是乏味而狭隘的人，他们的兴趣也是与众不同的、非常人的和无聊的。没有什么比这个观点离真理更加遥远。我所认识的伟大物理学家当中很多都极具超凡魅力，有着强烈的热情和引人入胜的思想。对我而言，人格和思维方式的多样性，有着无穷的乐趣。在写给广大读者的物理著作中，如果不加入人的要素，就会遗漏了某种乐趣。在这本书的写作中，我尝试讲述既有科学性又有情感性的故事。

关于大数和小数的注记

本书的自始至终，你会发现许多很大和很小的数字。人类的大脑无法形象化思索比100大很多或比1/100小很多的数字，但我们可以训练自己以便做得更好。例如，很习惯处理数字的我或多或少可以想象100万，但1万亿和1000的5次幂之间的区别超出了我的形象化能力。本书中的很多数字都远远超过了100万和1000的5次幂。那么我们如何记录它们呢？答案涉及有史以来最伟大的重新装备功绩之一：指数和科学计数法的发明。

我们首先来看一个相当大的数字，地球上的人口大约是60亿。10亿等于将10自身相乘9次。它还可以表示成1后面有9个0。

10亿=10×10×10×10×10×10×10×10×10=1 000 000 000

10自身相乘9次的简短记法是10 9 ，或是10的9次方。因此地球上的人口大体上可以用下式给出：

60亿=6×10 9

这样的话，9被称为指数。

这里有一个更大的数：地球上质子和中子的总数。

地球上质子和中子的数目（大约）=5×10 51

这显然比地球上的人口数大很多。大多少呢？10的51次幂有51个因数10，而10亿只有9个。因此，10 51 比10 9 多了42个因数10。这使得地球上的核子数比人口数多10 42 倍。（注意，我忽略了前述方程中的因子5和6。5和6并非很不相同，因此仅需要粗略的“数量级估算”时，你可以忽略它们。）

我们来看两个确实非常大的数。我们目前用最强大的望远镜观测到宇宙中电子的总数大约是10 80 。总的光子数大约是10 90 。现在10 90 听起来可能不比10 80 大多少，但这是一个令人迷惑的假象：10 90 比10 80 大10 10 倍，而且10 000 000 000是一个非常大的数。事实上，10 80 和10 81 看起来几乎相等，但是后者比前者大10倍。因此指数上一个适度的改变可能意味着它表示的数巨大的变化。

现在我们来考虑非常小的数。原子的尺寸大约是1米的100亿分之一（1米大约是1码）。用小数记法表示如下：

原子的尺寸=0.0 000 000 00 1米

注意，1在第十个小数位上。用科学计数法来表示100亿分之一涉及负指数，即-10。

0.0 000 000 00 1=10 -10

具有负指数的数小，具有正指数的数大。

我们再来看一个更小的数。基本粒子，例如电子，相对于通常物体而言是非常轻的。1千克是1升（大约1夸脱）水的质量。一个电子的质量实在是微不足道的。事实上，单个电子的质量大约是9×10 -31 千克。

最后，在科学计数法中进行乘法和除法是非常简单的。你仅需要进行指数的加或减即可。下面是几个例子。

10 51 =10 42 ×10 9

10 81 ÷10 80 =10

10 -31 ×10 9 =10 -22

指数并不是描述非常大的数字的唯一简短记法。某些大数有它们自身特有的名字。例如，谷戈尔是10 100 （1后面有100个0），谷戈尔普勒克斯是10 谷戈尔（1后面有谷戈尔个0），是一个十分巨大的数字。

解决了这些基础，我们返回并非十分抽象的世界，在罗纳德·里根（Ronald Reagan）总统第一次任期第3年的圣弗朗西斯科，一场冷战正在激烈地进行着，新的战争一触即发。