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黑洞信息悖論的由來和重要性_Forbeschina.com

 激揚(yáng)文字 2015-09-18

你可能認(rèn)為,擺脫地球引力需要耗費(fèi)很多能量,但與宇宙中很多其他天體相比,地球的引力顯得微不足道。這個話同樣適用于太陽、銀河系甚至是像中子星這樣的極端天體。讓我們想象一下,太空中有一個很小的緊致域,充滿了大量的物質(zhì)和能量,以至于必須以超過光速的速度才能逃脫它的引力。它就是黑洞,一個引力大到任何東西(甚至包括光)都無法逃逸的區(qū)域。

黑洞通常是因為超大質(zhì)量恒星的內(nèi)核塌縮而形成,擁有極端的性質(zhì),不可避免地塌縮成一個奇點(diǎn),沒有哪種已知物質(zhì)(甚至包括基本粒子)能夠逃離它??臻g維度的數(shù)量減少成一個點(diǎn)或者環(huán),已知的物理定律不再奏效。

黑洞令我們不解的地方在于進(jìn)入黑洞內(nèi)部的信息。在我們所知的宇宙中,物質(zhì)和能量的某些性質(zhì)包含了信息。像質(zhì)子和電子這樣的粒子不僅包含了質(zhì)量、電荷和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,還包含了其他量子性質(zhì),比如重子數(shù)、輕子數(shù)、弱強(qiáng)荷和色荷,以及將一個粒子與另一個粒子連接起來的量子糾纏。如果你用各種粒子來制造黑洞(粒子數(shù)通常約為10的58次方個),每個粒子都擁有自己獨(dú)特的性質(zhì),包括質(zhì)子、電子、中子、光子、中微子、反中微子、正電子和其他,那么你會認(rèn)為那些信息也隨之進(jìn)入了黑洞。

但黑洞沒有這些信息。據(jù)我們所知,黑洞只有三種性質(zhì):質(zhì)量(根據(jù)進(jìn)入黑洞的物質(zhì)和能量總數(shù)而定)、電荷和角動量(描述黑洞的旋轉(zhuǎn))。

那么,那些信息去哪里了?從理論上來講,因為正常恒星塌縮而形成的黑洞,其包含的信息應(yīng)該大大不同于因為(理論上)反物質(zhì)恒星塌縮而形成的黑洞。然而,黑洞根本沒有那些信息!如果有兩個完全相同的黑洞,我們向其中一個添加一些中子,向另一個添加數(shù)量相等的質(zhì)子和電子,直至兩個黑洞的質(zhì)量再次相同,那么它們應(yīng)該擁有不同的性質(zhì),因為它們擁有不同的重子(和輕子)數(shù)??墒?,我們知道這種差異并不存在。它們沒有什么不同。

你可能認(rèn)為,黑洞的事件視界將解答上述問題,因為那個特殊的位置——光能夠和不能夠逃逸之間的界限——似乎是“冰凍的世界”,落進(jìn)黑洞的任何東西總是會把編碼信息留在事件視界表面,這個特性在1939年被發(fā)現(xiàn)。但在1974年,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)證明這種學(xué)說不夠充分。在足夠長的時間里,宇宙的量子性質(zhì),以及粒子-反粒子波動在事件視界的彎曲空間中發(fā)生的事實,意味著黑洞將發(fā)出黑體熱輻射,最終導(dǎo)致了它們的衰減。

霍金輻射的量子起源

這對于物理學(xué)而言是個重要的問題,因為落入黑洞的量子信息應(yīng)該是被保存的物理量之一。但黑洞發(fā)出的東西(黑體熱輻射)卻沒有包含那些信息!

這就是黑洞信息悖論。我們?nèi)绾谓鉀Q它?物理學(xué)家普遍認(rèn)為,肯定有某種我們不知道(或許需要一種關(guān)于引力的量子理論)的方法,把事件視界表面“被冰凍”的信息融入到黑洞發(fā)出的輻射中。是這樣嗎?如果是,這是如何發(fā)生的?答案是沒人知道。史蒂芬·霍金在8月底的重要聲明充其量只能算是向答案邁出了一小步,但很可能是個死胡同,就像這方面的大多數(shù)假說一樣。

每當(dāng)偉大理論所預(yù)測的內(nèi)容之間發(fā)生沖突時:

一、肯定有某些物理量被保存了下來;

二、一個系統(tǒng)的終態(tài)所包含的被保存物理量在數(shù)量上不同于初態(tài)。

理論沖突是科學(xué)進(jìn)步的前兆。這個悖論之所以重要,因為它告訴我們,我們現(xiàn)在所知的東西在某個方面是不完整的。是否有未知的物理定律?我們是否錯過了已知定律的一個新應(yīng)用?那些物理量是否根本沒有被保存下來?信息是否真的通過某種方式被編入到終態(tài)中?量子引力是否最終將說明這一切?

我們希望找到問題的答案。但同時,這個悖論意味著我們遇到了一個問題,因此我們需要學(xué)習(xí)更多的東西。對于想了解宇宙科學(xué)真相的人來說,黑洞信息悖論是個不可思議的東西,它證明我們還有很多東西需要弄明白。

譯 于波 校 李其奇

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