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信息守恒定律

2022.03.07

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        20世纪时,天文学家发现了黑洞。黑洞是只允许物质进入而不允许物质出来的一种特殊的天体系统。除了质量、角动量、电荷,人们不可能从其得到其他任何的信息。其后,天文学家又发现,一个黑洞在吸引其他恒星的物质时,并不是一下子就吸引过去的,而是在看不见的周围先形成一个会转的物质盘、叫做吸积盘。另外一个恒星的物质先打到这个盘上去,这个盘上的物质才像螺旋一样进入到黑洞之中。这些现象已为观察所证实。

      原先,人们认为,所有的物质和能量经过黑洞时都会永远地消失。40年前,人们开始认真地思考黑洞,认为,外人——黑洞外的观测者能够获得的黑洞的信息只有质量、角动量、电荷。这意味着,如果你用任何一种物质来做成黑洞,比如用压碎的听装啤酒瓶、压扁的恒星、还是其它什么,外人都无法分辨出,黑洞里面到底是些什么东西。 然而,在1974年,霍金结合量子力学和相对力学的理论,指出,黑洞并非全黑——黑洞能够辐射,这就是著名的霍金辐射。黑洞在辐射过程中,将能量辐射出去。这意味着,黑洞将逐渐缩小,并在最后的爆炸中,结束生命。

      霍金30年前的理论认为,从量子力学的角度来考虑,黑洞是能够辐射的。由于量子作用,啤酒黑洞物质、恒星黑洞物质等都会辐射、蒸腾、四溢。问题在于,霍金原先的计算显示了,其蒸腾完全属于热效应。这就意味着,它不应该包含任何的信息,即啤酒黑洞物质和恒星黑洞物质的辐射没有任何的差别。所以,当黑洞变得越来越小,最后蒸发到没有时,这就意味着,它已丢失了全部的信息。并且,到了变化的末端时,它已无法复原那些信息。”

      30年来,霍金坚持认为,“信息守恒定律”在黑洞里失效。“在黑洞里,信息确实丢失了。如果它丢失了,它会进入另外一个空间,这个空间称作婴儿宇宙,顾名思义,婴儿宇宙来自我们的这个宇宙。” 从上可见,说黑洞完全看不见是不对的,至少不是全对的。但又认为,黑洞的信息的确是很难出来的。 这种理论从诞生之初就遇到了麻烦:它同很多科学家坚持的“信息守恒定律”互为矛盾,这个问题曾一度被人们称之为“黑洞佯谬(悖论)”。

      霍金的黑洞理论引起的激烈争执就是,“信息”在黑洞中是否能够保存、守恒。大多数的物理学家都认为,任何信息都不能被破坏,否则将违背因果律,“出于对因果关系的深信不疑,在给出初始条件的情况下,物理学的工作就是通过过去预知未来。” 这意味着,如果信息被破坏了——如同霍金30年前的理论所说的,未来就根本无法通过信息来预知。

      2004年7月21日,在爱尔兰都柏林举行的“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上,英国传奇科学家霍金教授宣布了他对宇宙黑洞的最新研究结果,霍金表示自己原来的观点错了,信息应该守恒:黑洞并非如他和其他大多数物理学家以前认为的那样,对其周遭的一切“完全吞食”,事实上被吸入黑洞深处的物质的某些信息实际上可能会在某个时候释放出来:信息守恒。      

      原因是先前把黑洞想得太理想化了,把黑洞热辐射也想得太理想化了。不过,霍金一直没有给出严格的证明来支持自己的新观点。索恩表示此事不能由霍金一个人说了算,他仍坚持信息不守恒的看法。普瑞斯基则表示没有听懂霍金的演讲,不明白自己为什么赢了。目前,这一牵扯到量子论基础的敏感问题还远未解决。

      黑洞不仅仅是一颗死亡了的星体,它具有丰富的内涵。黑洞的霍金辐射理论表明,黑洞不仅具有一般的力学性质,而且具有量子性质和热性质。如果黑洞的辐射谱为严格的黑体谱,则黑洞辐射过程中信息丢失。Parikh和Wilczek认为,黑洞的霍金辐射的确可以看成是一种量子效应,但辐射粒子贯穿的势垒不是预先存在的,而是由出射粒子自身产生的,他们的研究结果支持信息守恒。

      黑洞理论的研究已经超出了黑洞本身,它不仅通过信息疑难触及了量子论的重要基石——幺正性,而且掀开了探讨时间性质的新篇章。

      黑洞内部有一个奇点,那是时间终结的地方。大爆炸宇宙有一个初始奇点,那是时间开始的地方。彭罗斯和霍金曾经证明过一个“奇性定理”,该定理表明,任何一个真实的时空都一定存在奇点,即一定存在时间有开始或终结的过程。时间有没有开始和结束,原本是哲学家和神学家议论的话题,现在经过对黑洞和宇宙的研究,这一话题被纳入了物理学的领域。

      宇宙学家相信,太空中有许多类型的黑洞,从质量相当于一座山的小黑洞,到位于星系中央的超级黑洞,不一而足。科学家过去认为,从巨大的星体到星际尘埃等,一旦掉进去,就再不能逃出,就连光也不能“幸免于难”。而霍金教授关于黑洞的最新研究有可能打破这一结论。经过长时间的研究,他发现,一些被黑洞吞没的物质随着时间的推移,慢慢地从黑洞中“流淌”出来。

      霍金关于黑洞的这一新理论解决了关于黑洞信息的一个似是而非的观点,他的剑桥大学的同行都为此兴奋不已。过去,黑洞一直被认为是一种纯粹的破坏力量,而现在的最新研究表明,黑洞在星系形成过程中可能扮演了重要角色。

     2013年5月14日,美国引力基金会宣布,中国科学院武汉物理与数学研究所张保成、蔡庆宇、詹明生和清华大学尤力教授合作完成的题为“信息守恒是基本定律:揭示霍金辐射中丢失的信息”的论文荣获本年度引力论文比赛第一名。

      本篇获奖文章首先从量子信息的角度阐述了信息守恒是自然界的必然要求。随后,结合作者之前的工作,即在隧穿辐射的物理图像下,证明了黑洞辐射之间存在携带信息的关联以及整个辐射过程中熵守恒,文章指出信息守恒仍然是自然界的基本定律,即使黑洞这样的强引力体系也莫能例外。在文中,结合他们最近的理论研究结果,作者还分析了如何进一步在实验中检验黑洞信息丢失问题,并且指出一旦LHC实验中观测到高能粒子碰撞产生的小黑洞,并且辐射粒子能量的协方差和理论计算结果一致,则可以在实验上进一步确认黑洞信息守恒。在理论上证明黑洞信息守恒,这不仅进一步展示了量子力学的普适性,而且对构建量子力学与引力的统一理论具有重要的启示作用。

      1976年,霍金称自己通过计算得出结论,他认为黑洞在形成过程中,其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是著名的“霍金辐射”理论。但是,理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息,一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后,其中的所有信息就都随之消失了,这便是所谓的“黑洞佯谬”。

    这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。近30年来,霍金试图以各种推测来解释这一自相矛盾的观点。霍金曾表示,黑洞中量子运动是一种特殊情况,由于黑洞中的引力非常强烈,量子力学在此时已经不再适用了。但是霍金的这种说法并没有得到科学界众多持怀疑态度学者的信服。

    如今,霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称,黑洞从来都不会完全关闭自身,他们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量,随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。  

      尽管这一重大研究成果还没有公开以论文的形式发表,已经在学术界引起了轩然大波。霍金在剑桥大学的同事、著名的物理理论学家佩里博士表示,“霍金在这次研讨会上提出的观点也许是一种可行的解决方案。但是具体是否能得到最终认可,我看还需要由大家说了算。”但他认为,霍金最新的研究成果将可以和30年前发表的“霍金辐射”相媲美。

      另一位物理学家卡特勒在接受《新科学家》杂志的访问时说:“霍金发出了一个信息,他似乎在说'我已经解决了黑洞理论中的矛盾之处,我想就此发表一些新的看法’。但是我们作为该信息的接受者,预先却并没有看到任何有关的书面阐述。作为对霍金本人的尊重,根据他的名誉,我只能暂且先接受这种说法。”科学家们都期待着明天的学术会议上,霍金教授对他全新成果的完整阐释。    

      对于霍金教授抛出的黑洞新论,中国黑洞研究专家,北京师范大学的赵峥教授说,目前霍金关于黑洞的最新研究成果只有媒体消息,学术论文还没有发表,所以这一新的理论还有待证实。专家指出,上世纪70年代,霍金提出的“黑洞热辐射”理论是20世纪最杰出的理论物理成就之一,但当时这一理论的一些观点受到了量子物理学者的质疑,科学家们认为被黑洞“吞掉”的物质的信息最终将会随黑洞一起消失,在量子物理的角度上是无法解释的。为此,30年来学术界一直存在着争论,此次霍金提出的新观点───黑洞在某一时间,将会把它吞掉的信息释放出来,从表面上看弥补了他以前理论的缺陷,但是这也不足以肯定这一理论就是正确的。赵教授解释,物质所包含的信息并不像质量或能量一样具有守恒的性质,因此霍金此前的信息消失理论并不是完全无法接受的。

       从20世纪60年代到80年代,黑洞研究取得了重大进展。最初人们认为黑洞是一颗死亡了的星体,什么东西都可以掉进去,但任何东西都跑不出来。1974年霍金证明黑洞有温度、有辐射。霍金辐射的发现使黑洞和霍金本人都变得家喻户晓。

      20世纪80年代以后,黑洞研究的重点逐渐从温度转向信息佯谬。人们早已知道,黑洞外部观测者会失去形成黑洞以及后来落入黑洞的物质的几乎全部信息,这就是“无毛定理”。所谓“毛”是指“信息”。黑洞只剩下总质量、总电荷和总角动量3根“毛”可以被外界探知。人们最初认为,虽然外部观测者不能探知黑洞内部物质的信息,但这些信息并没有从宇宙中消失,只不过隐藏在了黑洞的内部。霍金辐射发现之后,人们知道黑洞中的物质最后将全部转化为热辐射,而热辐射几乎不带出任何信息。这样,形成和落入黑洞的物质的信息将从宇宙中消失,信息不再守恒,不仅重子数守恒、轻子数守恒等定律不再成立,量子论的幺正性也将受到破坏。面对如此严重的理论困难,物理学家展开了激烈的争论。理论物理学家大都相信信息守恒,坚信幺正性这一量子论的基石不会被破坏。总之,信息应该守恒。以霍金和索恩为代表的相对论专家则认为信息不一定守恒,幺正性完全有可能被破坏。为此,霍金和索恩与坚信信息守恒的普瑞斯基打赌。

     “这种理论从诞生之初就遇到了麻烦:它同很多科学家坚持的"信息守恒定律"互为矛盾。这一度被人们称为"黑洞佯谬”。

      如同19世纪的科学家断定了能量守恒定律一样,20世纪的许多科学家提出了信息守恒一说——假如这个说法成立,那么"信息守恒定律"无疑将成为科学界最为重要的定律,也许比物质、能量守恒定律的意义更为深远。霍金的黑洞理论引起的激烈争执就是“信息在黑洞中是否能够保存,守恒”。

      信息守恒定律内容:信息是不灭的,既不能凭空产生,也不会自动消灭。它就象种子里面基因一样,存在隐性和显性等多种形式。种子里的基因是一种隐性的形式,长成植株是基因表达成显性形式,因其植株蓝图的信息早就存在于基因里面。19世纪时,科学家发现了能量守恒定律。如同19世纪时科学家确定能量守恒一样,20世纪的许多科学家提出了信息守恒。假如这个说法成立,那么,无可疑问,“信息守恒定律”将成为科学界最为重要的定律。也许,信息守恒定律比质量守恒定律和能量守恒定律的意义更为深远。

      信息守恒定律的另一种表述方式:总的流进系统的信息必等于总的从系统中流出的信息,加上系统内部信息的变化;信息能够转换,从一种状态转变成另一种状态,而总的信息量保持不变。引申出“熵守恒”,即广义信息守恒。

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