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黑洞與信息丟失之謎十分棘手，很難在短期內(nèi)解決,。 撰文 克拉拉·莫斯科維茨（Clara Moskowitz ） 翻譯 張旭陽 審校 余卉
這個星期，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）解決了黑洞信息悖論的消息讓物理學(xué)界變得沸沸揚揚,。消息甚至說霍金發(fā)現(xiàn)了“逃離黑洞的方法”,。但是，這些令人眼花繚亂的消息來得早了一些,，這個悖論似乎并不那么容易解決,。 霍金是劍橋大學(xué)的物理學(xué)家，他是第一個提出黑洞信息悖論的人,。那還是在20世紀70年代,，霍金預(yù)言黑洞（理論上是無法逃逸的引力陷阱）實際上會泄露出一些光來，這就是所謂的“霍金輻射”,。按照霍金的說法,，黑洞會不斷發(fā)出輻射，直至徹底蒸發(fā),。這樣的結(jié)果產(chǎn)生了新的問題,，因為這似乎表明黑洞可以摧毀信息——而根據(jù)量子力學(xué)，這是絕對不可能的,。 一個悖論 黑洞和其他事物一樣,，應(yīng)該會保存其形成時的量子力學(xué)記錄。例如,，黑洞可能產(chǎn)生于大型恒星的消亡,，恒星用于核聚變的燃料用盡，在自身引力的作用下不斷坍塌,，最終形成黑洞,。根據(jù)量子力學(xué)，黑洞應(yīng)該儲存了產(chǎn)生它的恒星及所有后來被吸入黑洞的物質(zhì)的信息,。但是如果黑洞某一天蒸發(fā)了,，這些信息似乎也將會被摧毀。 物理學(xué)家已經(jīng)嘗試尋找讓信息通過霍金輻射逃脫,，而不至于與黑洞一同消亡的方法,。這一方案的問題是，黑洞看起來并沒有辦法通過這種輻射來傳遞信息,。根據(jù)最早預(yù)言黑洞的廣義相對論,，黑洞實際上是一種非常簡單的天體,，它只有三種屬性：質(zhì)量、電荷和角動量,；除了這些數(shù)值外,，黑洞沒有任何其他性質(zhì)，也沒有其他細節(jié),。用物理學(xué)界的俗語講,，黑洞是一種“無毛”的天體。 8月25日,，霍金在斯德哥爾摩瑞典皇家理工學(xué)院（KTH Royal Institute of Technology）做報告時,，提出了一種對信息丟失悖論可能的解釋，即給黑洞“植發(fā)”的方法：“我認為信息并非像人們預(yù)料的那樣儲存在黑洞內(nèi)部,，而是儲存于它的邊界,，也就是事件視界（the event horizon）?！彼f,。事件視界是黑洞的理論邊界，一個任何物體都“有進無出”的球面,?；艚疬M一步表示，信息存在于事件視界上的“超級譯本（supertranslation）”中,，它們是死亡恒星及落入黑洞的物質(zhì)在第一次穿過視界時形成的痕跡,，可以改變通過霍金輻射所發(fā)射出的粒子的位置和時機?；艚鸪姓J這些信息并不容易恢復(fù),，但是至少會維持信息不被摧毀，這也就解決了黑洞信息悖論,?！斑M入黑洞的粒子的信息最終回到了宇宙，”他說,，“只是以一種混亂無用的形式,。所以說，實際上,，這些信息沒有憑空消失,，只是我們找不到了而已?！?/p> 更大的困惑 大多數(shù)物理學(xué)家認為,，要判定霍金的想法是否是一個真正的突破還為時尚早。他的報告非常簡短,；他和兩個合作者——劍橋大學(xué)的物理學(xué)家馬爾科姆·佩里（Malcolm Perry）及哈佛大學(xué)的安德魯·施特羅明格（Andrew Strominger）——計劃在下個月發(fā)表論文,，詳細深入的論述他們的想法,。“我覺得（這個想法）很有前景,，”參加會議的北歐理論物理研究所的物理學(xué)家扎比內(nèi)·霍森費爾德（Sabine Hossenfelder）說，“但目前,，它還不是一個完整的答案,。” 霍金認為超級譯本可以編碼信息,，也解釋了這種想法背后的理論基礎(chǔ),。“可能是這樣的,，”霍森菲爾德補充道,，“但是其具體機制與效率還目前還不明確。而且,，按照超級譯本存儲信息的機制,，它們實際上會存儲過量的信息！” 超級譯本很難成為唯一的解釋,。最近幾年,，物理學(xué)家想出了一大堆點子來解決信息丟失悖論，使悖論愈發(fā)復(fù)雜,?！疤拐\地講，我認為相比以前而言,，（信息悖論）反倒陷入了更大的困境中,，”瑞典烏薩普大學(xué)的物理學(xué)家烏爾夫·丹尼爾松（Ulf Danielsson）說，“霍金表示他已經(jīng)解決了信息悖論,，而對我來說,，這意味著又加入了一種觀點，但問題是：這到底真的會解決一些問題,，還是把我們丟進了更大的困惑中,？我還不是很確定?！?/p> 更大的謎團 無論霍金的方案是對是錯,，這一問題仍將是物理學(xué)的熱點。這一難題不僅僅與黑洞有關(guān),，更是與宇宙的性質(zhì)及起源之謎有著深刻的關(guān)聯(lián),。為了回答這一問題，物理學(xué)家們可能不僅僅需要更好地理解黑洞,，還需要理解全部的量子引力理論——一個目前仍未被找到的理論,。 某種程度上講,，黑洞是一種令人費解的天體，因為它們涉及到了兩種不同的自然理論——統(tǒng)治亞原子世界的量子力學(xué),，及描述引力并支配大尺度宇宙的廣義相對論,。然而，這兩個理論從根本上是不相容的,。物理學(xué)家們急需一種用量子規(guī)則描述引力的方法,。由于同時涉及量子力學(xué)和廣義相對論，信息丟失悖論“給了我們一個關(guān)注現(xiàn)有知識與未知領(lǐng)域的機會,，并敦促我們試圖去解開量子引力不同假說的含義,。”來自加拿大圓周理論物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics）的物理學(xué)家李·斯莫林（Lee Smolin）說,。 斯莫林和霍森費爾德最近合作發(fā)表了一篇綜述論文,，總結(jié)了信息丟失之謎所有可能的解決方案，大體上將它們歸為六類,，每一類都從不同的角度解決悖論,。一種可能是，量子力學(xué)認為信息不可憑空消失的論斷是錯誤的,，信息真的被摧毀了,。另一類方案認為，黑洞內(nèi)部存在一個全新的時空區(qū)域,，即“嬰兒宇宙”,，在這個區(qū)域內(nèi)可以保存信息。還有一種解決方案設(shè)想了一種理論上的天體——“白洞”,，白洞是黑洞的對立面,，在白洞中時間流是反向的，任何物體都不能進入白洞,，只能從白洞中涌出（包括信息）,。第四類方案認為，黑洞永遠不會徹底蒸發(fā)——它們只會收縮到極小的尺度,，從而將信息保存下來,。在第五類方案中，信息以某種方式從黑洞內(nèi)部復(fù)制到了外部,，所以當(dāng)黑洞毀滅時,，黑洞外的信息備份還存在。最后一類方案認為,，信息是在黑洞視界上以各種方式被編碼出來的——霍金的想法就屬于這一類,。“很不幸,，我認為實際情況是,，我們有了一個謎題,，也有了一些解決方案，但我們知道的還不夠,?！彼鼓终f?！吧踔劣羞@種可能,，自然界存在許多不同類型的黑洞，某些黑洞可以以一種方案解釋,，而另一些則需要用其他的方式來解釋?！?/p> 然而最終的結(jié)果是,，對信息丟失悖論的探討不僅僅會影響黑洞，還可能會影響一個在理論上與之相關(guān)的事件——大爆炸,。狹小致密的黑洞與假想中宇宙誕生時的狀態(tài)十分相似,，許多物理上的考量也同樣適用。這兩種情況在數(shù)學(xué)上都預(yù)言了“奇點（singularity）”的存在,，奇點是一個無窮致密,、無窮小的時空點。一些物理學(xué)家認為這些無窮大的量證明方程出錯了,，而另一些人則堅持奇點是一種物理現(xiàn)實,。如果去除了奇點概念的量子引力理論可以解決信息丟失悖論，就可能意味著我們宇宙有著另一種起源,?！皶r間仍存在一個起點嗎？”斯莫林問,，“或者說奇點其實并不存在,，大爆炸只是宇宙反彈回來的時刻？所以大爆炸發(fā)生之前,，宇宙就已經(jīng)存在,？” 要想知道關(guān)于黑洞信息悖論和黑洞火墻的更多事情，可以參閱《環(huán)球科學(xué)》2015年5月刊《黑洞火墻：量子力學(xué)和相對論的沖突現(xiàn)場》 原文鏈接： http://www./article/stephen-hawking-hasn-t-solved-the-black-hole-paradox-just-yet/ |
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