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幺正特性和霍金辐射(下)

独立思考是突破颜值文化的唯一出路

古哥古点 2015年11月30日


黑洞不是黑的(下)

《幺正特性和霍金辐射》

黑洞不是黑的(下) 来自古哥古点旧版 18:50

量子力学和广义相对论这两个分别从极小尺度和极大尺度发展而来的且都已被实验所验证为正确的理论,彼此之间却有着诸多的冲突,黑洞信息悖论就是其中最具体,也是最形象的一个表现形式。坚持广义相对论的学者,比如著名的霍金,认为宇宙间的光速上限已经彻底堵死了黑洞之内任何信息出逃的可能机制,而信奉量子力学的人则对于黑洞将会破坏最基本的信息守恒性表示难以接受。两方都坚持自己理论中的金科玉律,矛盾因此产生。

实际上,在黑洞信息悖论产生的过程中,这两种理论已经掺和在一起了。大家可能会想到一个问题,如果广义相对论坚持光速为宇宙速度上限的话,那么在黑洞中先别说信息就连物质也应该无法逃脱才是,但是霍金根据弯曲时空的量子场理论所构造的霍金辐射机制却告诉人们黑洞不是有进无出的万物终结者,它反过来是可以持续向外辐射粒子的,从而把自己的质量慢慢蒸发掉。这种看似违背了光速壁垒的机理正是通过引入量子效应实现的,因为量子波动性最拿手的本领就是隧穿,也就是在小尺度下使低能量的粒子反直觉的挣脱高能量的陷阱。如果觉得对于这一现象缺乏直观理解的话,可以把它类比为地球大气层的散逸过程。从理论上来说,静态的气体分子会被锁定在地球特定的引力半径内,然而在大气层的最边缘处不可避免的扰动会使边缘分子有机会越出引力边界。霍金辐射也是类似,只不过其边界是黑洞的视界,其扰动是量子扰动而非普通能量带来的热扰动。霍金辐射很重要,以前曾经有人担心在欧洲建设的大型强子对撞机上有可能因高能而产生出微型黑洞进而吞噬掉地球,实际上这是多虑了。LHC的能量远远够不上所谓普朗克加速器的级别,而且就算产生了微型黑洞,因为尺寸极小,,它也会很快的被霍金辐射蒸发掉。尽管霍金辐射尚未得到实验证实(这也是霍金没有获得诺贝尔奖的原因),但是它已经成为一种被广泛接受的黑洞研究中的标准理论。可以说,量子化彻底改变了黑洞中物质的命运,但是对于信息又将如何呢?看起来,即使霍金辐射是正确的,这种黑洞所拥有的唯一的输出机制,其随机波动释放出来的粒子里大概也不会藏有任何信息,所以进入黑洞中的物质所携带的原始信息应该是永远的消失了;但另一方面,如果输入黑洞的信息真的被摧毁了,那么这些信息含有的熵就会使整个黑洞的总熵值不断增长,而熵对应着温度,这意味着黑洞的温度将不可思议的快速升高,这和实际的情况明显不同。所以问题是,信息究竟去哪了?

摆在面前的看起来只有四种可能:

1,信息真的丢失了,需要另外想办法解释温度升高的问题。

2,信息没有丢失,它隐藏在黑洞内部一个神秘的内核当中,黑洞蒸发到最后不会把其物质全部释放,而是会留下一个普朗克尺度大小的残余物,其中包含全部的信息,实际上这是一个熵奇点。

3,信息没有丢失,它通过神秘的通道已经被转移到了另一个与我们分离的婴儿宇宙当中。这有些诡辩的色彩,因为即便它是真的,但对于我们这个宇宙来说,信息还是不可逆转的失去了。

4,信息没有丢失,也没有被隐藏或转移,而是不可思议的就被编码在了那唯一输出的看似没有规则的霍金辐射当中。

黑洞中的霍金辐射

实际上,这四种可能恰好也就是黑洞信息悖论出现时,物理学界提出的解决方案的分类。

第一种观点最省事也最直接,放弃信息守恒,这就是霍金等人的看法,反正黑洞内部是个奇点,反常的现象多了去了,再打破个信息守恒也没什么。

第二、三种观点实际上是一类,都主张信息还在只是没有离开黑洞,不过他们解决矛盾的具体途径看起来都有些异想天开,要么引入了一个熵的奇点,要么依托于更难以想象的异次元空间;

第四种观点类似于福尔摩斯的看法,在排除了所有其他可能性后,剩下的情形不管多么的不可思议那就应该是真相。实际上持有这类观点的人往往都是务实的量子理论专家,他们不愿意违背量子意义下的微观可逆性,同时也不想依靠平行世界来解决问题。这里面的代表人物就是胡夫特和萨斯坎德。

婴儿宇宙的创造和信息隐藏

80年代,萨斯坎德曾经促狭的做了一次面向顶尖物理学家的民意测验,当时他正在德克萨斯大学参加一次研讨会,包括斯蒂芬·温伯格(StevenWeinberg)、威利·菲施勒(Willy Fischler)等在内的一批物理大牛全都与会。期间萨斯坎德询问这些科学家对于黑洞信息悖论的看法,即如果对上述的几个解决方案进行投票的话,他们愿意选择哪一项。结果除了温伯格弃权外,其他的人里面,相信信息已经永久丢失的与相信信息仍然被某种机制保存下来的比例大约是3:1,也就是说这个时期霍金的阵营牢牢占据着主动权。也难怪,从那些垃圾一样的霍金辐射废料中想发现隐藏信息的线索是在太不可思议了。

不过胡夫特和萨斯坎德是少数坚持下来的顽固者。这与其说是什么个人品质,不如更加客观的说是多年的粒子物理研究素养让他们对于量子力学中的可逆性的膜拜已经变成深入骨髓的信仰,而这点自然是广义相对论专业出身的霍金所不能体会的。萨斯坎德管这叫做“大粒子沙文主义”,相应的,霍金等人应该就是“大相对论主义”。

不管是什么主义,有一点是共同的,就是黑洞信息悖论因为所涉及的尺度和能量的关系,基本已经脱离了实证范围,研究者完全是高来高去,玩的都是数学。从某种程度上来说,在这个领域检验各种理论是否正确的标准是逻辑而非实验。有人说,这怎么可以?科学不是实证化的认知体系吗,靠逻辑检验怎么能行?的确如此,但是请注意,逻辑的自洽性虽然不能证明,但是可以证伪。数学上都会出矛盾的理论不用实验就是错的。所以,胡夫特他们做的工作的本质上来说不是在证明自己的正确,而是在证明霍金的错误。

斯蒂芬·温伯格

现在还回到刚才提出的关键问题,如果持有第四种观点,也就是相信信息的守恒,而且相信信息没有被神秘的隐藏或者转移到别的宇宙中,那么它们到底是通过什么办法逃脱黑洞的呢?

一种简单的想法是这样的。在黑洞的外侧有一条边界线,它是一条像地球上的经纬线一样只存在于现象中而非存在于实际中的线。物体一旦穿过这条边界后,就再也无法挣脱黑洞的引力,有点像漩涡的边缘,一旦滑入就会直坠中心。这条边界叫做黑洞的视界,因为视界线以内连光线都出不来,全部是黑的,就好像黑洞的可见边界。假设有一种粒子复印机,它可以将每一个输入的粒子准确无误的复印成两个一模一样的输出粒子,也就是说经过复印的粒子会再产生出一个完全相同的备份来。现在在黑洞视界的外侧密密麻麻的摆满成千上万台粒子复印机,如此一来,任何坠向黑洞的物体的粒子都将通过其中的一台复印机,并产生出一个相同的复制品来。此后,我们只要把复制品重新反射到黑洞之外,同时允许原件不受阻碍的继续滑向黑洞,就可以做到既不违背广义相对论的定律,同时又保证原始信息没有陷入黑洞而使量子理论免受挑战。

把黑洞的视界看做一台粒子复印机,这听起来是一个相当不错的点子,但可惜的是它是不可能的。因为如果宇宙中真的有这样的粒子复印机存在的话,量子测不准原理便会失效。当人们想同时准确的测量一个粒子的位置和动量时,只要先克隆出一个同样的粒子,然而对这一对儿粒子,一个测量位置,一个测量动量即可。这显然违背了量子力学所要求的最小不确定性,所以不是正确的解答。

黑洞视界

那么正确的黑洞信息悖论解决方案是什么呢?严格的说,没有所谓正确的答案。因为刚才已经说过,这里所有人在讨论时,运用的工具都是各种类型的思想实验,而非真实实验。思想实验的结果只可以作为手段,却不可以成为理论的基础。当然,作为证伪的方式,思想实验是有用处的。所以截止到目前,所谓的合理答案,只是还没有被发现逻辑缺陷的数学上构造出来的可能性而已,也因此这样的合理答案实际上不止一种。我们在这里要介绍的是在这个悖论问题上最后改变了物理学界普遍支持霍金的这一态度的一种理论模型,即胡夫特和萨斯坎德发展出来的全息理论。它本身不一定正确,但他至少说明霍金错了。

这得从一个故事说起。遥远的星球上有一位专制的统治者X总统和一位性格耿直而敢于犯上直言的Y科学家。科学家总是给总统提出各种意见,招来了独裁者的嫉恨,最后他决定要把Y一家彻底消灭掉。总统身边的坏人们出尽了各种主意,X总统仍觉得这些手段不够狠,直到有一位书记官说可以把Y一家送到黑洞里,总统才喜笑颜开。他觉得这种方式才算给力。消息传到科学家耳朵里,家里的人哭成一片,只有科学家冷静的向X总统提出了最后一个要求,说如果要让我进入黑洞,请选择把我们送到一个大质量的黑洞里。总统一听,更高兴了,他认为黑洞越大引力就越强,就会把科学家撕的越加粉碎,所以毫不犹豫的答应了这个条件。行刑的日子很快到了,科学家和他的家属们乘坐一条大型飞船开赴事先选定的巨型黑洞,总统和他的佞臣们则通过大型望远镜观看这一过程。当看到飞船缓缓的接近黑洞视界,逐渐融化和被撕碎在这条炽热的边界上时,独裁者们心满意足的哈哈大笑起来。然而他们不知道的是,此时此刻飞船里面的Y先生一家人正舒舒服服的平静的驶过了黑洞视界线。虽然Y知道,这艘飞船最终将抵达黑洞的中心处的奇点而万劫不复,但是他特意选择的这个超大型黑洞保证了早在飞船抵达奇点前,他们一家人已经平安的结束了自然的寿命。

这是怎么回事?有人作弊吗?不,这里面没有任何人为的欺骗,总统看到飞船在黑洞边界处的毁灭和科学家感觉到飞船平安的进入黑洞都是真实的情况。出现这种矛盾只因为他们一个在黑洞外面,一个在黑洞里面,一个是量子理论的结果,一个是广义相对论的等效原理的推论,他们都是真实的。我知道,这样的解释等于没解释,肯定是不能化解此时此刻很多人心中的疑问的,飞船只有一艘,不管从哪里看,不管是黑洞外面还是里面,其历史结局只可能是一种,怎么可能因为观察者位置上的差别就出现两个不同的剧情呢?这里呢,首先给出一个薄弱的类比,就是相对性,根据相对论知识,不同位置上的观察者的时间流逝快慢是不同的,这说明时间不是绝对的而是相对不同的人有不同的时间。这个类比不行啊,时间相对性是由时空扭曲造成的,这很容易理解,但飞船的结局怎么可能是相对的呢?那么再增强一点比喻,就是光的波粒二象性,光在有些实验中呈现粒子特性,在有些实验中呈现波动特性,它不就是把两种不同的结果融为一身的吗?那也不行啊,波粒二象性是可以通过几率波或别的途径加以想象的,而飞船毁灭了还是没有毁灭这两者怎么可能同时存在呢?

黑洞互补原理

实际上黑洞就是一个这么奇特地方,量子力学中把光的波粒二象性也称为互补性,而在黑洞的内外,飞船的毁灭与平安两种结局的并存同样的被称为黑洞互补原理。不管你觉得多么的不可思议,但只要你认为广义相对论和量子理论是正确基础的话,这个互补原理就是成立的,至少在逻辑意义上是成立的。它的数学解释非常复杂,我们在这里给出一个不太准确的比喻加以说明。前面提到的粒子复印机模型虽然是错误的,但它却抓住了黑洞佯谬的关键,就是黑洞的边界层。就像萨斯坎德说的,人人都在想进入浴缸以后的情况,唯独没有人注意到进入水层的那一瞬间是怎么回事。视界表层就是解开黑洞佯谬的钥匙。现在可以描述这个比喻了,一个人正在地面行走,他的头顶有一架无人机在稳步的跟踪拍摄,很快这个人走进了一个特殊的路段,在这个路段的上方有一层玻璃顶棚,它不是平板状的玻璃,而是弯曲的类似哈哈镜一样的玻璃板,所以此时的天空摄像机透过玻璃板会看到一个扭曲的人形。再往里走,头顶天花板的玻璃构型更加复杂,不仅表面剧烈起伏而且还有窝成的玻璃圈或者各种各样独立的玻璃碎块,因此人的形象经过这一层的投射已经变成了不可识别的一堆细碎的影子,对此不妨称之为超级哈哈镜。好了,现在你也许明白了,黑洞的视界表面就是这么一个疯狂的超级哈哈哈镜,黑洞外面的人看到的是行人的碎片,而里面行走的人此刻依然安好。不过,这样的说法还有点不太准确,更恰当的是我们得把这个描述反过来,超级哈哈镜的碎块才是真正的行人信息,而哈哈镜下面行走的人是这些信息构成的三维影像,这就是全息原理。信息只蕴藏在黑洞的表面,里面的一切都是信息的三维投影罢了。如此一来,黑洞悖论便不复存在,因为信息根本没有进入黑洞内部。

黑洞互补性原理听起来是很古怪的,不用说普通受众,物理学家也未必全然接受。还记得我们上期节目提到的索恩-霍金-普锐斯基尔大赌局(Thorne–Hawking–Preskillbet)吗?当2004年,霍金自己愿赌服输时,最初和他站在一边下注的索恩说,不能霍金说输就算我们输,我还没有认输呢!而另一位突然获胜的普锐斯基尔而更搞笑,他说自己也不知道为什么就赢了,因为霍金讲的东西他完全听不懂。

索恩-霍金-普锐斯基尔大赌局

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