黑洞與信息丟失之謎十分棘手，很難在短期內解決。
撰文 克拉拉·莫斯科維茨（Clara Moskowitz ）
翻譯 張旭陽
審校 余卉
這個星期，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）解決了黑洞信息悖論的消息讓物理學界變得沸沸揚揚。消息甚至說霍金發現了“逃離黑洞的方法”。但是，這些令人眼花繚亂的消息來得早了一些，這個悖論似乎并不那么容易解決。
霍金是劍橋大學的物理學家，他是第一個提出黑洞信息悖論的人。那還是在20世紀70年代，霍金預言黑洞（理論上是無法逃逸的引力陷阱）實際上會泄露出一些光來，這就是所謂的“霍金輻射”。按照霍金的說法，黑洞會不斷發出輻射，直至徹底蒸發。這樣的結果產生了新的問題，因為這似乎表明黑洞可以摧毀信息——而根據量子力學，這是絕對不可能的。
一個悖論
黑洞和其他事物一樣，應該會保存其形成時的量子力學記錄。例如，黑洞可能產生于大型恒星的消亡，恒星用于核聚變的燃料用盡，在自身引力的作用下不斷坍塌，最終形成黑洞。根據量子力學，黑洞應該儲存了產生它的恒星及所有后來被吸入黑洞的物質的信息。但是如果黑洞某一天蒸發了，這些信息似乎也將會被摧毀。
物理學家已經嘗試尋找讓信息通過霍金輻射逃脫，而不至于與黑洞一同消亡的方法。這一方案的問題是，黑洞看起來并沒有辦法通過這種輻射來傳遞信息。根據最早預言黑洞的廣義相對論，黑洞實際上是一種非常簡單的天體，它只有三種屬性：質量、電荷和角動量；除了這些數值外，黑洞沒有任何其他性質，也沒有其他細節。用物理學界的俗語講，黑洞是一種“無毛”的天體。
8月25日，霍金在斯德哥爾摩瑞典皇家理工學院（KTH Royal Institute of Technology）做報告時，提出了一種對信息丟失悖論可能的解釋，即給黑洞“植發”的方法：“我認為信息并非像人們預料的那樣儲存在黑洞內部，而是儲存于它的邊界，也就是事件視界（the event horizon）。”他說。事件視界是黑洞的理論邊界，一個任何物體都“有進無出”的球面。霍金進一步表示，信息存在于事件視界上的“超級譯本（supertranslation）”中，它們是死亡恒星及落入黑洞的物質在第一次穿過視界時形成的痕跡，可以改變通過霍金輻射所發射出的粒子的位置和時機。霍金承認這些信息并不容易恢復，但是至少會維持信息不被摧毀，這也就解決了黑洞信息悖論。“進入黑洞的粒子的信息最終回到了宇宙，”他說，“只是以一種混亂無用的形式。所以說，實際上，這些信息沒有憑空消失，只是我們找不到了而已。”
更大的困惑
大多數物理學家認為，要判定霍金的想法是否是一個真正的突破還為時尚早。他的報告非常簡短；他和兩個合作者——劍橋大學的物理學家馬爾科姆·佩里（Malcolm Perry）及哈佛大學的安德魯·施特羅明格（Andrew Strominger）——計劃在下個月發表論文，詳細深入的論述他們的想法。“我覺得（這個想法）很有前景，”參加會議的北歐理論物理研究所的物理學家扎比內·霍森費爾德（Sabine Hossenfelder）說，“但目前，它還不是一個完整的答案。”
霍金認為超級譯本可以編碼信息，也解釋了這種想法背后的理論基礎。“可能是這樣的，”霍森菲爾德補充道，“但是其具體機制與效率還目前還不明確。而且，按照超級譯本存儲信息的機制，它們實際上會存儲過量的信息！”
超級譯本很難成為唯一的解釋。最近幾年，物理學家想出了一大堆點子來解決信息丟失悖論，使悖論愈發復雜。“坦誠地講，我認為相比以前而言，（信息悖論）反倒陷入了更大的困境中，”瑞典烏薩普大學的物理學家烏爾夫·丹尼爾松（Ulf Danielsson）說，“霍金表示他已經解決了信息悖論，而對我來說，這意味著又加入了一種觀點，但問題是：這到底真的會解決一些問題，還是把我們丟進了更大的困惑中？我還不是很確定。”
更大的謎團
無論霍金的方案是對是錯，這一問題仍將是物理學的熱點。這一難題不僅僅與黑洞有關，更是與宇宙的性質及起源之謎有著深刻的關聯。為了回答這一問題，物理學家們可能不僅僅需要更好地理解黑洞，還需要理解全部的量子引力理論——一個目前仍未被找到的理論。
某種程度上講，黑洞是一種令人費解的天體，因為它們涉及到了兩種不同的自然理論——統治亞原子世界的量子力學，及描述引力并支配大尺度宇宙的廣義相對論。然而，這兩個理論從根本上是不相容的。物理學家們急需一種用量子規則描述引力的方法。由于同時涉及量子力學和廣義相對論，信息丟失悖論“給了我們一個關注現有知識與未知領域的機會，并敦促我們試圖去解開量子引力不同假說的含義。”來自加拿大圓周理論物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics）的物理學家李·斯莫林（Lee Smolin）說。
斯莫林和霍森費爾德最近合作發表了一篇綜述論文，總結了信息丟失之謎所有可能的解決方案，大體上將它們歸為六類，每一類都從不同的角度解決悖論。一種可能是，量子力學認為信息不可憑空消失的論斷是錯誤的，信息真的被摧毀了。另一類方案認為，黑洞內部存在一個全新的時空區域，即“嬰兒宇宙”，在這個區域內可以保存信息。還有一種解決方案設想了一種理論上的天體——“白洞”，白洞是黑洞的對立面，在白洞中時間流是反向的，任何物體都不能進入白洞，只能從白洞中涌出（包括信息）。第四類方案認為，黑洞永遠不會徹底蒸發——它們只會收縮到極小的尺度，從而將信息保存下來。在第五類方案中，信息以某種方式從黑洞內部復制到了外部，所以當黑洞毀滅時，黑洞外的信息備份還存在。最后一類方案認為，信息是在黑洞視界上以各種方式被編碼出來的——霍金的想法就屬于這一類。“很不幸，我認為實際情況是，我們有了一個謎題，也有了一些解決方案，但我們知道的還不夠。”斯莫林說。“甚至有這種可能，自然界存在許多不同類型的黑洞，某些黑洞可以以一種方案解釋，而另一些則需要用其他的方式來解釋。”
然而最終的結果是，對信息丟失悖論的探討不僅僅會影響黑洞，還可能會影響一個在理論上與之相關的事件——大爆炸。狹小致密的黑洞與假想中宇宙誕生時的狀態十分相似，許多物理上的考量也同樣適用。這兩種情況在數學上都預言了“奇點（singularity）”的存在，奇點是一個無窮致密、無窮小的時空點。一些物理學家認為這些無窮大的量證明方程出錯了，而另一些人則堅持奇點是一種物理現實。如果去除了奇點概念的量子引力理論可以解決信息丟失悖論，就可能意味著我們宇宙有著另一種起源。“時間仍存在一個起點嗎？”斯莫林問，“或者說奇點其實并不存在，大爆炸只是宇宙反彈回來的時刻？所以大爆炸發生之前，宇宙就已經存在？”
要想知道關于黑洞信息悖論和黑洞火墻的更多事情，可以參閱《環球科學》2015年5月刊《黑洞火墻：量子力學和相對論的沖突現場》
原文鏈接：
http://www.scientificamerican.com/article/stephen-hawking-hasn-t-solved-the-black-hole-paradox-just-yet/
