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霍金解决了黑洞悖论?注册新宝GG家说,还早着呢

时间: 2015年09月06日 | 作者: | 来源: 环球注册新宝GG(huanqiukexue.com)
黑洞与信息丢失之谜十分棘手,很难在短期内解决。

 剑桥大学的物理学家史蒂芬·霍金与乌得勒支大学的杰勒德·特·胡夫特在斯德哥尔摩的瑞典皇家理工学院讨论问题。图片来源:KTH/Håkan Lindgren

 

这个星期,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)解决了黑洞信息悖论的消息让物理学界变得沸沸扬扬。消息甚至说霍金发现了“逃离黑洞的方法”。但是,这些令人眼花缭乱的消息来得早了一些,这个悖论似乎并不那么容易解决。

 

霍金是剑桥大学的物理学家,他是第一个提出黑洞信息悖论的人。那还是在20世纪70年代,霍金预言黑洞(理论上是无法逃逸的引力陷阱)实际上会泄露出一些光来,这就是所谓的“霍金辐射”。按照霍金的说法,黑洞会不断发出辐射,直至彻底蒸发。这样的结果产生了新的问题,因为这似乎表明黑洞可以摧毁信息——而根据量子力学,这是绝对不可能的。

 

一个悖论

 

黑洞和其他事物一样,应该会保存其形成时的量子力学记录。例如,黑洞可能产生于大型恒星的消亡,恒星用于核聚变的燃料用尽,在自身引力的作用下不断坍塌,最终形成黑洞。根据量子力学,黑洞应该储存了产生它的恒星及所有后来被吸入黑洞的物质的信息。但是如果黑洞某一天蒸发了,这些信息似乎也将会被摧毁。

 

物理学家已经尝试寻找让信息通过霍金辐射逃脱,而不至于与黑洞一同消亡的方法。这一方案的问题是,黑洞看起来并没有办法通过这种辐射来传递信息。根据最早预言黑洞的广义相对论,黑洞实际上是一种非常简单的天体,它只有三种属性:质量、电荷和角动量;除了这些数值外,黑洞没有任何其他性质,也没有其他细节。用物理学界的俗语讲,黑洞是一种“无毛”的天体。

 

825日,霍金在斯德哥尔摩瑞典皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology)做报告时,提出了一种对信息丢失悖论可能的解释,即给黑洞“植发”的方法:“我认为信息并非像人们预料的那样储存在黑洞内部,而是储存于它的边界,也就是事件视界(the event horizon)。”他说。事件视界是黑洞的理论边界,一个任何物体都“有进无出”的球面。霍金进一步表示,信息存在于事件视界上的“超级译本(supertranslation)”中,它们是死亡恒星及落入黑洞的物质在第一次穿过视界时形成的痕迹,可以改变通过霍金辐射所发射出的粒子的位置和时机。霍金承认这些信息并不容易恢复,但是至少会维持信息不被摧毁,这也就解决了黑洞信息悖论。“进入黑洞的粒子的信息最终回到了宇宙,”他说,“只是以一种混乱无用的形式。所以说,实际上,这些信息没有凭空消失,只是我们找不到了而已。”

 

更大的困惑

 

大多数物理学家认为,要判定霍金的想法是否是一个真正的突破还为时尚早。他的报告非常简短;他和两个合作者——剑桥大学的物理学家马尔科姆·佩里(Malcolm Perry)及哈佛大学的安德鲁·施特罗明格(Andrew Strominger)——计划在下个月发表论文,详细深入的论述他们的想法。“我觉得(这个想法)很有前景,”参加会议的北欧理论物理研究所的物理学家扎比内·霍森费尔德(Sabine Hossenfelder)说,“但目前,它还不是一个完整的答案。”

 

霍金认为超级译本可以编码信息,也解释了这种想法背后的理论基础。“可能是这样的,”霍森菲尔德补充道,“但是其具体机制与效率还目前还不明确。而且,按照超级译本存储信息的机制,它们实际上会存储过量的信息!”

 

超级译本很难成为唯一的解释。最近几年,物理学家想出了一大堆点子来解决信息丢失悖论,使悖论愈发复杂。“坦诚地讲,我认为相比以前而言,(信息悖论)反倒陷入了更大的困境中,”瑞典乌萨普大学的物理学家乌尔夫·丹尼尔松(Ulf Danielsson)说,“霍金表示他已经解决了信息悖论,而对我来说,这意味着又加入了一种观点,但问题是:这到底真的会解决一些问题,还是把我们丢进了更大的困惑中?我还不是很确定。”

 

更大的谜团

 

无论霍金的方案是对是错,这一问题仍将是物理学的热点。这一难题不仅仅与黑洞有关,更是与宇宙的性质及起源之谜有着深刻的关联。为了回答这一问题,物理学家们可能不仅仅需要更好地理解黑洞,还需要理解全部的量子引力理论——一个目前仍未被找到的理论。

 

某种程度上讲,黑洞是一种令人费解的天体,因为它们涉及到了两种不同的自然理论——统治亚原子世界的量子力学,及描述引力并支配大尺度宇宙的广义相对论。然而,这两个理论从根本上是不相容的。物理学家们急需一种用量子规则描述引力的方法。由于同时涉及量子力学和广义相对论,信息丢失悖论“给了我们一个关注现有知识与未知领域的机会,并敦促我们试图去解开量子引力不同假说的含义。”来自加拿大圆周理论物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)的物理学家李·斯莫林(Lee Smolin)说。

 

斯莫林和霍森费尔德最近合作发表了一篇综述论文,总结了信息丢失之谜所有可能的解决方案,大体上将它们归为六类,每一类都从不同的角度解决悖论。一种可能是,量子力学认为信息不可凭空消失的论断是错误的,信息真的被摧毁了。另一类方案认为,黑洞内部存在一个全新的时空区域,即“婴儿宇宙”,在这个区域内可以保存信息。还有一种解决方案设想了一种理论上的天体——“白洞”,白洞是黑洞的对立面,在白洞中时间流是反向的,任何物体都不能进入白洞,只能从白洞中涌出(包括信息)。第四类方案认为,黑洞永远不会彻底蒸发——它们只会收缩到极小的尺度,从而将信息保存下来。在第五类方案中,信息以某种方式从黑洞内部复制到了外部,所以当黑洞毁灭时,黑洞外的信息备份还存在。最后一类方案认为,信息是在黑洞视界上以各种方式被编码出来的——霍金的想法就属于这一类。“很不幸,我认为实际情况是,我们有了一个谜题,也有了一些解决方案,但我们知道的还不够。”斯莫林说。“甚至有这种可能,自然界存在许多不同类型的黑洞,某些黑洞可以以一种方案解释,而另一些则需要用其他的方式来解释。”

 

然而最终的结果是,对信息丢失悖论的探讨不仅仅会影响黑洞,还可能会影响一个在理论上与之相关的事件——大爆炸。狭小致密的黑洞与假想中宇宙诞生时的状态十分相似,许多物理上的考量也同样适用。这两种情况在数学上都预言了“奇点(singularity)”的存在,奇点是一个无穷致密、无穷小的时空点。一些物理学家认为这些无穷大的量证明方程出错了,而另一些人则坚持奇点是一种物理现实。如果去除了奇点概念的量子引力理论可以解决信息丢失悖论,就可能意味着我们宇宙有着另一种起源。“时间仍存在一个起点吗?”斯莫林问,“或者说奇点其实并不存在,大爆炸只是宇宙反弹回来的时刻?所以大爆炸发生之前,宇宙就已经存在?”(撰文:克拉拉·莫斯科维茨(Clara Moskowitz) 翻译:张旭阳 审校:余卉)

 

要想知道关于黑洞信息悖论和黑洞火墙的更多事情,可以参阅《环球注册新宝GG》20155月刊《黑洞火墙:量子力学和相对论的冲突现场》

 

原文链接:

http://www.scientificamerican.com/article/stephen-hawking-hasn-t-solved-the-black-hole-paradox-just-yet/