來源:科技日報

“貪食”屬性引謎團 丟失的信息去哪兒了

愛因斯坦的廣義相對論,，是物理學(xué)的一大基礎(chǔ)理論。這一理論預(yù)言宇宙中存在一種質(zhì)量極大的天體——黑洞,。黑洞可由質(zhì)量,、電荷和自轉(zhuǎn)三個特征完整定義。在這個“洞”中,，光都很難“逃逸”,，更遑論速度低于光速的其他物質(zhì)。因此,，黑洞就像一只“只進不出”的“貔貅”,。假設(shè),，黑洞自身最終會消失，那么被黑洞“吞噬”的物體所攜帶的信息,，自然也就隨之消失了,。

不過，吞噬所有物質(zhì)和信息的黑洞,，卻與物理學(xué)的另一基礎(chǔ)理論量子力學(xué)產(chǎn)生了矛盾,。根據(jù)量子力學(xué)，一個物體的所有性質(zhì)都由其狀態(tài)決定,，物體的狀態(tài)則由波函數(shù)所表征,。換言之，在獲得了物體在某一個具體時刻的波函數(shù)后,，其此前或此后的任意時刻波函數(shù),，都能被當(dāng)前波函數(shù)所決定。因此,，物體的信息必須守恒,。

這兩大理論得出的關(guān)于信息丟失與否的矛盾，被稱為黑洞信息悖論,。

中國科學(xué)院國家天文臺研究員、黑洞及其高能爆發(fā)現(xiàn)象研究小組負責(zé)人茍利軍從熵的角度,，解釋了黑洞的種種“傳奇”,。

霍金曾與合作者在上世紀70年代提出黑洞熱力學(xué)定理。那個定理的最直接推論就是黑洞沒有熵,，物體掉進黑洞就完全消失了,，包括信息。熵反映了黑洞中存儲信息量的多少,。這就意味著,，因為黑洞的存在，通過某種方式,，我們可以實現(xiàn)宇宙中熵的減少,，這與我們所熟知的宇宙熵增加原理相違背。正是因為這一違背之前原理的推論,， 才促使霍金發(fā)現(xiàn)了霍金輻射,，而有了更讓人困惑的黑洞信息悖論。

合作伙伴“代筆”論文 解霍金幾十年之困

劍橋大學(xué)理論物理學(xué)教授,、論文共同作者馬爾科姆·佩里表示,，四十多年來，信息悖論問題始終是霍金生命的重心,。讓霍金“復(fù)活”的論文,，由其在劍橋大學(xué)與哈佛大學(xué)工作的三位合作伙伴執(zhí)筆,。論文研究的，正是困擾了霍金幾十年的問題：掉進黑洞中的物體,，所攜帶的信息是否會丟失,？這些信息能否從黑洞中“逃”出？

此前,，霍金曾提出,，除了質(zhì)量、電荷和自轉(zhuǎn)等三特征外,，黑洞應(yīng)當(dāng)還具有溫度這一特征,。

霍金認為，傳統(tǒng)的黑洞研究只考慮了廣義相對論,。但如果“疊加”上量子力學(xué),，則會發(fā)現(xiàn)，在空間的任一地方,，都會存在粒子和反粒子對,，它們會在瞬間產(chǎn)生和湮滅。這些粒子對的能量越高,，壽命就越短,。

如果在黑洞的邊界，即視界上,，有一瞬間產(chǎn)生的反粒子被黑洞吸收,，那么與該反粒子成對、本該同步湮滅的粒子則可能不會湮滅,，而成為了一個持續(xù)存在的真實粒子,。從外界的角度看，就類似于黑洞發(fā)射出了一個粒子,。此即霍金輻射,。從這一角度看，黑洞并非絕對黑,，也并非一只“貔貅”,。

茍利軍解釋說，根據(jù)經(jīng)典廣義相對論,，黑洞沒有任何輻射,，也不會有光子輻射出來，它所對應(yīng)的溫度則為絕對零度,?！暗坏┛紤]到有光子輻射出來，那么黑洞就不再是一個沒有溫度的天體,?！?/p>

天文學(xué)家過去認為,，由于黑洞會不斷產(chǎn)生輻射并且散失到太空中，黑洞的終極命運將是徹底蒸發(fā),、消失于無形,，信息也隨之消失殆盡。但在2016年,，霍金提出黑洞的“軟毛”可以保存黑洞熵的部分信息,。所謂軟毛，是黑洞視界面附近的光子,。它們來自黑洞蒸發(fā)過程中的輻射,。霍金和同事們在此次新發(fā)表的論文中,，對于“軟毛”如何攜帶熵信息進行了論證,。“我們發(fā)現(xiàn)‘軟毛’確實能做到這一點,?！瘪R爾科姆·佩里說。

“如果沒有‘軟毛’,，黑洞就會成為一個神秘莫測的球,。”茍利軍說,。雖然目前霍金的最后一篇遺作僅僅是徹底解決悖論的第一步,，還需要很多后續(xù)的努力，但是它為我們解決黑洞信息悖論問題提供了一個努力的方向,。

另類聲音有新見解世間或許本無“洞”

黑洞信息悖論問題撲朔迷離，而黑洞本身也并非獲得了所有科學(xué)家的認同,。甚至,，有少數(shù)科學(xué)家認為，世界或許從來沒有黑洞,。天體物理學(xué)家曾提出過無數(shù)關(guān)于黑洞內(nèi)部究竟長什么樣的假設(shè),，在美國勞倫斯利佛摩國家實驗室的科學(xué)家喬治·凱普林看來，這些猜想可能都是“無用功”,。他認為,，那些“黑洞”或許就是一個個甜甜圈狀的暗能量星。

2005年,，喬治·凱普林在接受《自然》期刊采訪時曾表示：“黑洞不存在的概率幾乎是百分之百,。”在他與諾貝爾物理學(xué)獎獲得者羅伯特·勞克林此前合作研究的基礎(chǔ)上,，他又提出了一套名為“暗能量星”的黑洞替代模型,。他認為,，一顆正在坍縮的恒星中蓄積了巨大能量，足以使恒星中的質(zhì)子和中子衰變成光子氣體和其他基本粒子,，同時產(chǎn)生所謂的“真空能液滴”,。這些物質(zhì)會形成“凝聚”態(tài)的時空，就像氣體在一定壓力下可以轉(zhuǎn)化為液體一樣,。這些凝聚態(tài)時空中含有的暗能量密度遠比恒星周圍的時空高得多,。這可以提供足夠大的壓力，抵擋引力的作用,，從而阻止奇點形成,。而時空中如果沒有奇點，也就不可能存在黑洞,。被大多數(shù)科學(xué)家當(dāng)作黑洞的坍縮恒星其實可以被描述為時空正在發(fā)生相變的區(qū)域,。

當(dāng)然，這一觀點在天體物理學(xué)界鮮有人支持,。在過去十年中,，喬治·凱普林在這方面論文的引用次數(shù)僅為個位數(shù)。而相比之下,，他在粒子物理學(xué)領(lǐng)域最熱門的論文引用次數(shù)多達600多次,。（記者 俞慧友）