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黑洞信息悖论的由来和重要性_Forbeschina.com

你可能认为,摆脱地球引力需要耗费很多能量,但与宇宙中很多其他天体相比,地球的引力显得微不足道。这个话同样适用于太阳、银河系甚至是像中子星这样的极端天体。让我们想象一下,太空中有一个很小的紧致域,充满了大量的物质和能量,以至于必须以超过光速的速度才能逃脱它的引力。它就是黑洞,一个引力大到任何东西(甚至包括光)都无法逃逸的区域。

黑洞通常是因为超大质量恒星的内核塌缩而形成,拥有极端的性质,不可避免地塌缩成一个奇点,没有哪种已知物质(甚至包括基本粒子)能够逃离它。空间维度的数量减少成一个点或者环,已知的物理定律不再奏效。

黑洞令我们不解的地方在于进入黑洞内部的信息。在我们所知的宇宙中,物质和能量的某些性质包含了信息。像质子和电子这样的粒子不仅包含了质量、电荷和旋转运动,还包含了其他量子性质,比如重子数、轻子数、弱强荷和色荷,以及将一个粒子与另一个粒子连接起来的量子纠缠。如果你用各种粒子来制造黑洞(粒子数通常约为10的58次方个),每个粒子都拥有自己独特的性质,包括质子、电子、中子、光子、中微子、反中微子、正电子和其他,那么你会认为那些信息也随之进入了黑洞。

但黑洞没有这些信息。据我们所知,黑洞只有三种性质:质量(根据进入黑洞的物质和能量总数而定)、电荷和角动量(描述黑洞的旋转)。

那么,那些信息去哪里了?从理论上来讲,因为正常恒星塌缩而形成的黑洞,其包含的信息应该大大不同于因为(理论上)反物质恒星塌缩而形成的黑洞。然而,黑洞根本没有那些信息!如果有两个完全相同的黑洞,我们向其中一个添加一些中子,向另一个添加数量相等的质子和电子,直至两个黑洞的质量再次相同,那么它们应该拥有不同的性质,因为它们拥有不同的重子(和轻子)数。可是,我们知道这种差异并不存在。它们没有什么不同。

你可能认为,黑洞的事件视界将解答上述问题,因为那个特殊的位置——光能够和不能够逃逸之间的界限——似乎是“冰冻的世界”,落进黑洞的任何东西总是会把编码信息留在事件视界表面,这个特性在1939年被发现。但在1974年,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)证明这种学说不够充分。在足够长的时间里,宇宙的量子性质,以及粒子-反粒子波动在事件视界的弯曲空间中发生的事实,意味着黑洞将发出黑体热辐射,最终导致了它们的衰减。

霍金辐射的量子起源

这对于物理学而言是个重要的问题,因为落入黑洞的量子信息应该是被保存的物理量之一。但黑洞发出的东西(黑体热辐射)却没有包含那些信息!

这就是黑洞信息悖论。我们如何解决它?物理学家普遍认为,肯定有某种我们不知道(或许需要一种关于引力的量子理论)的方法,把事件视界表面“被冰冻”的信息融入到黑洞发出的辐射中。是这样吗?如果是,这是如何发生的?答案是没人知道。史蒂芬·霍金在8月底的重要声明充其量只能算是向答案迈出了一小步,但很可能是个死胡同,就像这方面的大多数假说一样。

每当伟大理论所预测的内容之间发生冲突时:

一、肯定有某些物理量被保存了下来;

二、一个系统的终态所包含的被保存物理量在数量上不同于初态。

理论冲突是科学进步的前兆。这个悖论之所以重要,因为它告诉我们,我们现在所知的东西在某个方面是不完整的。是否有未知的物理定律?我们是否错过了已知定律的一个新应用?那些物理量是否根本没有被保存下来?信息是否真的通过某种方式被编入到终态中?量子引力是否最终将说明这一切?

我们希望找到问题的答案。但同时,这个悖论意味着我们遇到了一个问题,因此我们需要学习更多的东西。对于想了解宇宙科学真相的人来说,黑洞信息悖论是个不可思议的东西,它证明我们还有很多东西需要弄明白。

译 于波 校 李其奇

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