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黑洞:宇宙中的超级垃圾桶 | CosmoScape | 星空天文网

2014年9月29日

黑洞内部的信息可以被复原吗?

作者:罗纳德·克文(Ron Cowen)
插画:弗朗切斯科·伊佐(Francesco Izzo)
翻译:老孙
原载:nautil.us

弦理论学家维贾伊·巴拉萨布拉曼尼恩(Vijay Balasubramanian)一直在致力于研究宇宙中的超级垃圾桶:黑洞。他在宾夕法尼亚大学和纽约研究生中心城市大学进行的粒子物理研究对黑洞造成的信息损失提出了疑问。而这项工作仅是他极为广泛的研究领域中的一个方面,他的研究从时空结构到人类意识对“空间感”的认知无所不包。在下面的采访中,他阐述了为何黑洞实际上可能并不是信息无底洞的原因。

什么是黑洞?

假如在一个小范围的空间内集中足够多的物质,时空就会被弯曲到一切都无法逃脱。这一可能性最早是1915年卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)在试图解开爱因斯坦广义相对论方程式时发现的。黑洞内部,无论你朝什么方向尝试和加速,所有的未来点都指向黑洞的奇点,奇点是空间中的一种区域,它因被无穷翘曲而失去了体积。

那黑洞会因此成为超级垃圾桶吗?

从经典引力理论的层面来说,是的。在爱因斯坦用以描述理论的方程式中,你会得到一个奇怪的参数,它意味着你一旦进入,便再无可能出来。但是在奇点上,引力会变得无限大,因而经典引力理论不适用了。

所以量子理论因此变得重要起来?

在20世纪70年代之前,物理学家认为量子力学效应仅在奇点附近才会变得重要。但是到了那时,理论物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)通过演示发现黑洞视界的部分区域有熵。视界是将黑洞和外界宇宙区隔开来的边界。而几乎是在同时,史蒂芬·霍金撰写了一篇论文,提出黑洞在温度升高时,也会产生辐射。这一辐射现在被称为霍金辐射。

这一辐射是如何产生的?

在量子理论中,真空是正反粒子——如电子和它的伙伴“正电子”不断出现和湮灭的泡沫。在视界附近,这对粒子中的一个会坠入黑洞,而另一个就会进入外界宇宙,所以黑洞看上去就像是在产生辐射一样。由于有辐射,黑洞的能量就会转移到宇宙空间中,而它的质量也会因此缩小。最终黑洞会完全蒸发掉。大质量黑洞,如我们星系中心的那个,其完全蒸发掉的时间要远久于宇宙的年龄;较小的所需时间则较短。但无论是哪种方式,实际上都是在从这个垃圾桶里朝外面拿东西。

所以黑洞实际上并不是宇宙的垃圾收集中心?

不,实际上它们仍然是。根据霍金的想像,辐射是完全随机的——黑洞辐射出的每一个光子与另一个粒子都是相互独立的,所以在辐射中不包含黑洞的信息。无论你多么认真地研究霍金辐射,你都无法知道究竟是什么坠入了黑洞。信息丢失了。

那会产生什么问题吗?

霍金接受了信息的丢失对黑洞的存在是必需的这一说法,但是很多人并不满意,因为这意味着要放弃量子力学的一个中心假设——信息永恒。要撑起这一理论,就得修改已经被广泛接受的量子理论,而后者事实上已经确立并且表现得相当好。与爱因斯坦的相对论一样,它是20世纪物理学的两大伟大发现之一。

那有解决方案吗?

也许有。量子理论描述的是粒子的微观状态,而广义相对论是对宏观时空的解释。也许当广义相对论与量子理论合并之时,亚原子,时空的量子力学本性能够解开这一谜题。这些亚原子的细节在爱因斯坦理论对引力粗糙而宏观的解释中缺失了。

量子理论和引力有结合的迹象吗?

有。实际上,就象物理学中常有的那样,它们是由一对矛盾结合为一个新的方案的。

在20世纪90年代,科学家试图用弦理论将量子理论和引力统一起来时,从中得到了一些令人吃惊的发现。通过数学计算他们发现,3维宇宙中存在一种特殊级别的黑洞,它们仅由引力支配,相当于一个不存在引力但所有粒子和场都遵循量子力学法则的2维宇宙。量子理论认为信息是常存的,所以2维宇宙中的信息不会丢失。而由于这两个宇宙是相等的,故而有黑洞的3维宇宙也必然也保留了这些信息。但是没有人确切地知道这是如何发生的。

你认为解决方案是什么?

我认为与黑洞有关的信息编码在霍金辐射中是有可能的。

在最近的一篇论文中,我和我的同事一起考虑了一种黑洞内部不同的量子状态。我们提出不同量子状态间能量的分别可能是如此之微小,以至于需要非常久,近乎无穷多的时间来分析霍金辐射并确知黑洞中的内容。

所以在此意义上,黑洞是一个持续时间极久的垃圾桶。对于那些比太阳重许多的黑洞来说,这个时间周期会比宇宙当前的年龄长得多。因此,它们实际上是永久存在的。但是当宇宙终结时,黑洞还是会把它里面的东西倒出来,并且重新回收利用。

罗纳德·克文(Ron Cowen)是马里兰州银泉市的一位自由科学撰稿人,专业方向是天文学和物理学。

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