大數(shù)據(jù)文摘作品，轉(zhuǎn)載具體要求見文末
編譯團(tuán)隊(duì) | 小浪 邱猛 楊捷
作者 | Sabine Hossenfelder
黑洞可以吞噬宇宙萬物，但若想再次獲取信息仍然不易。圖片來源：ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser.
據(jù)谷歌數(shù)據(jù)指出，史蒂芬霍金是當(dāng)今在世最著名的物理學(xué)家，如果你對(duì)物理有所了解，那么你應(yīng)該知道他最著名的理論就是黑洞信息悖論。在霍金之前，黑洞并不是自相矛盾的，如果你扔一本書到黑洞，你將再無法閱讀到這本書。這是因?yàn)橥饨鐭o法觸及從黑洞視界（event horizon）穿過的東西。黑洞視界（event horizon）是一個(gè)可以捕獲任何東西甚至光的封閉表面。所以沒有任何信息可以逃出黑洞，你扔的那本書自然就消失了。不幸的是，沒有物理學(xué)家為之繼續(xù)研究，它們認(rèn)為書中的信息可能在看不到的地方，但是沒有任何矛盾之處。
雖然愛因斯坦的理論對(duì)黑洞視界（event horizon）和外面的時(shí)空做過明確的預(yù)測(cè)，但是量子修正可以顯著改變黑洞視界。圖片來源：NASA
接著是史蒂芬·霍金，1974年他表明黑洞發(fā)散輻射但不攜帶任何信息。這完全是隨機(jī)的，除了作為能量函數(shù)的粒子分布，即溫度與黑洞質(zhì)量成反比的普朗克譜函數(shù)（Planck spectrum）。如果黑洞發(fā)射出粒子，它將失去質(zhì)量、收縮且溫度變得更高。足夠的時(shí)間和足夠多的發(fā)射量之后，黑洞將完全消失，毫無任何返回信息。這個(gè)黑洞從此不復(fù)存在，當(dāng)然你扔進(jìn)去的書也就不在里面了。那么，這些信息都去哪兒了？
你可能會(huì)不屑地說：“好吧，它不見了，那又怎樣？我們不也一直在丟失信息嗎？”不，至少原則上我們沒有。在實(shí)踐中我們確實(shí)總會(huì)丟失信息，如果你燒了一本書，你不能夠再次看到書中的內(nèi)容。然而，從根本上說，構(gòu)成這本書的所有信息仍然存在于煙霧和灰燼之中。
燃燒任何東西好像都是在毀滅，然而原則上，如果我們追蹤燃燒出來的一切，在燃燒之前的所有狀態(tài)是可以恢復(fù)的。網(wǎng)上圖片。
對(duì)于目前最容易理解的理論來說，這是因?yàn)樽匀灰?guī)律可以向前或者向后運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)初始狀態(tài)對(duì)應(yīng)唯一一個(gè)終止?fàn)顟B(tài)，從來沒有兩個(gè)初始狀態(tài)會(huì)以同一個(gè)終止?fàn)顟B(tài)結(jié)束。燒書的例子看起來很難逆向運(yùn)動(dòng)，但是如果你可以非常小心地以正確的方式組裝那些煙霧和灰燼，你就可以得到那本從未燃燒的書。這是一個(gè)極其不可能的過程，在現(xiàn)實(shí)中也不可能看得到。但是，在原則上它是可以發(fā)生的。
黑洞則不是這樣的，當(dāng)看到結(jié)果時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)任何形式的黑洞都沒有什么區(qū)別，最后你得到的只有熱輻射，也就是“霍金輻射”，這是一個(gè)悖論：黑洞蒸發(fā)是一個(gè)不可逆的過程。這讓物理學(xué)家們汗顏，因?yàn)樗砻魉麄冞€未真正理解自然規(guī)律。
白線表示黑洞視界的預(yù)期邊界。根據(jù)我們最好的物理定律，里面的信息永遠(yuǎn)都出不來。圖片來源：Ute Kraus, Physics education group Kraus,Universit?t Hildesheim；背景：Axel Mellinger。
黑洞信息丟失是自相矛盾的，因?yàn)樗从沉死碚摫举|(zhì)的不一致性。例如霍金在他的計(jì)算中，當(dāng)結(jié)合廣義相對(duì)論與標(biāo)準(zhǔn)模型的量子場論，得到的結(jié)果與量子理論并不兼容。從根本上說，任何涉及粒子交互的過程都是可逆的。由于黑洞蒸發(fā)的不可逆性，霍金表明這兩個(gè)理論是不吻合的。
這種矛盾的明顯根源來源于不可逆的蒸發(fā)并不考慮時(shí)間和空間的量子特性。為此，我們需要一個(gè)目前還未形成的量子引力理論。大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，量子引力仍然會(huì)存在悖論，只是如何作用，他們?nèi)匀徊磺宄?/span>
受愛因斯坦支配的萬有引力，以及受量子物理學(xué)支配的其他理論（強(qiáng)、弱和電磁作用），是支配宇宙萬物的兩個(gè)獨(dú)立的準(zhǔn)則，但是他們?cè)诟旧鲜遣幌嗳莸摹D片來源：SLAC國家加速實(shí)驗(yàn)室（SLAC National AcceleratorLaboratory）。
然而，我們很難指責(zé)量子力學(xué)論，在廣義相對(duì)論正常運(yùn)轉(zhuǎn)的體制中，沒有什么有趣的事情發(fā)生在這一視界。因?yàn)榱孔右Φ膹?qiáng)度取決于時(shí)空的曲率，但是黑洞視界的曲率則與黑洞的質(zhì)量成反比，也就是黑洞質(zhì)量越大，視界上的量子引力效應(yīng)就越小。
只有當(dāng)黑洞達(dá)到普朗克質(zhì)量（物理學(xué)名詞，弦理論中的一根振動(dòng)的弦的典型等價(jià)質(zhì)量），約10毫克，量子引力效應(yīng)才會(huì)變得明顯。當(dāng)黑洞收縮到臨界大小時(shí)，由于量子引力的關(guān)系，信息會(huì)被釋放出來。但在那之前，任意大量的信息都可能會(huì)被封閉在黑洞中，這取決于黑洞本身的構(gòu)成。并且如果黑洞只剩下普朗克質(zhì)量，我們很難用如此少量的能量去編碼如此大量的信息。
在過去的四十年中，一些世界上最聰明的人都在嘗試解決這個(gè)難題。聽上去可能會(huì)覺得奇怪，這樣一個(gè)稀奇古怪的問題竟得到了如此大量的關(guān)注。對(duì)于這一點(diǎn)，物理學(xué)家們有很好的解釋。黑洞的蒸發(fā)是理解量子理論與引力相互作用的最好例子，因此它也可能是我們找到正確量子引力理論的鑰匙。解決這個(gè)悖論將會(huì)是一個(gè)巨大的突破，并且毫無疑問，這將使我們對(duì)自然在概念上有一個(gè)的全新認(rèn)知。
迄今為止，大多數(shù)關(guān)于黑洞信息流失問題的解決方法都可以被歸入以下四類，但每一類都有優(yōu)缺點(diǎn)。
在黑洞形成的早期，信息可能從黑洞中逃逸，但其中的原理尚未被發(fā)現(xiàn)。圖片來源：Petr Kratochvil。
1.信息在早期被釋放。
信息在黑洞達(dá)到普朗克質(zhì)量之前就被早早地泄露出來。這是當(dāng)前最流行的觀點(diǎn)。然而，有兩點(diǎn)還不是很清楚：信息如何被編碼入射線中以及該觀點(diǎn)如何繞過霍金計(jì)算的結(jié)論。
這個(gè)解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于，它與我們已知的黑洞熱力學(xué)兼容。缺點(diǎn)是，如果這個(gè)解釋是正確的，那么某種非局域性——“幽靈般的超距作用”（譯者按：由愛因斯坦命名的一種物理學(xué)觀點(diǎn)。觀點(diǎn)認(rèn)為相隔一定距離的兩個(gè)物體之間存在直接的、瞬時(shí)的相互作用，不需要任何媒質(zhì)傳遞，也不需要任何傳遞時(shí)間。）——似乎是不可避免的。更糟糕的是，最近一項(xiàng)研究稱，如果信息是在早期被釋放出來，那么黑洞會(huì)被一種高能屏障所環(huán)繞：一面“火墻”。假設(shè)“火墻”真的存在，這就違背了廣義相對(duì)論所基于的等效性原理。令人十分頭疼。
圖片來源：歐洲航天局（ESA），請(qǐng)通過以下網(wǎng)址訪問：http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/blackholes
2. 信息被保留下來，或在后期被釋放。
在這種情況下，信息會(huì)待在黑洞里直到量子引力效應(yīng)變強(qiáng)，即黑洞達(dá)到普朗克質(zhì)量時(shí)。那時(shí)，信息要么隨著剩余的能量被釋放，要么被永遠(yuǎn)鎖在黑洞的殘余里面。
該觀點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是，它不要求我們?yōu)榱耸箯V義相對(duì)論或量子理論體制成立而做出修改。它們（黑洞）剛好在我們期望的時(shí)候解體，即當(dāng)時(shí)空曲率變得很大的時(shí)候。缺點(diǎn)是，有人認(rèn)為這個(gè)觀點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)悖論，就是在弱背景區(qū)域可能會(huì)無限制地產(chǎn)生成對(duì)的黑洞：我們身邊無處不在。雖然這個(gè)反駁的理論支持比較薄弱，但還是被廣泛采納。
活躍的星系在吞噬的同時(shí)，也會(huì)加速并噴出那些靠近星系中心超大質(zhì)量黑洞的坍塌物質(zhì)。或許信息也從根本上流失了。圖片來源：美國航空及太空總署（NASA）、歐洲航天局（ESA）和 E. Meyers (STScI)。
3. 信息被毀。
這種觀點(diǎn)的支持者相信，信息在掉進(jìn)黑洞的那刻就丟失了。該觀點(diǎn)長期以來被認(rèn)為是違反了能量守恒定律，并會(huì)引發(fā)另一項(xiàng)矛盾。然而最近幾年，從新出現(xiàn)的論據(jù)來看，在信息流失的情況下能量可能還是守恒的。因此這項(xiàng)觀點(diǎn)有重振的跡象。不過據(jù)我估計(jì)，這個(gè)觀點(diǎn)是最不流行的一個(gè)。
然而，很像第一種觀點(diǎn)，為人所相信的并不一定就是問題真正的解答。想讓這個(gè)方案可行的話，就需要修改量子理論。同時(shí)，這樣的修改絕對(duì)不能和任何檢驗(yàn)量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)相沖突。這其實(shí)很難。
很可能我們所理解的黑洞并不是“黑”的；微妙之處在于這個(gè)悖論是如何被徹底避免的。圖片來源：Dana Berry/NASA。
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