黑洞內(nèi)部的信息可以被復(fù)原嗎？

作者：羅納德·克文（Ron Cowen）
插畫：弗朗切斯科·伊佐（Francesco Izzo）
翻譯：老孫
原載：nautil.us

弦理論學(xué)家維賈伊·巴拉薩布拉曼尼恩（Vijay Balasubramanian）一直在致力于研究宇宙中的超級垃圾桶：黑洞。他在賓夕法尼亞大學(xué)和紐約研究生中心城市大學(xué)進(jìn)行的粒子物理研究對黑洞造成的信息損失提出了疑問。而這項(xiàng)工作僅是他極為廣泛的研究領(lǐng)域中的一個方面，他的研究從時空結(jié)構(gòu)到人類意識對“空間感”的認(rèn)知無所不包。在下面的采訪中，他闡述了為何黑洞實(shí)際上可能并不是信息無底洞的原因。

什么是黑洞？

假如在一個小范圍的空間內(nèi)集中足夠多的物質(zhì)，時空就會被彎曲到一切都無法逃脫。這一可能性最早是1915年卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）在試圖解開愛因斯坦廣義相對論方程式時發(fā)現(xiàn)的。黑洞內(nèi)部，無論你朝什么方向嘗試和加速，所有的未來點(diǎn)都指向黑洞的奇點(diǎn)，奇點(diǎn)是空間中的一種區(qū)域，它因被無窮翹曲而失去了體積。

那黑洞會因此成為超級垃圾桶嗎？

從經(jīng)典引力理論的層面來說，是的。在愛因斯坦用以描述理論的方程式中，你會得到一個奇怪的參數(shù)，它意味著你一旦進(jìn)入，便再無可能出來。但是在奇點(diǎn)上，引力會變得無限大，因而經(jīng)典引力理論不適用了。

所以量子理論因此變得重要起來？

在20世紀(jì)70年代之前，物理學(xué)家認(rèn)為量子力學(xué)效應(yīng)僅在奇點(diǎn)附近才會變得重要。但是到了那時，理論物理學(xué)家雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）通過演示發(fā)現(xiàn)黑洞視界的部分區(qū)域有熵。視界是將黑洞和外界宇宙區(qū)隔開來的邊界。而幾乎是在同時，史蒂芬·霍金撰寫了一篇論文，提出黑洞在溫度升高時，也會產(chǎn)生輻射。這一輻射現(xiàn)在被稱為霍金輻射。

這一輻射是如何產(chǎn)生的？

在量子理論中，真空是正反粒子——如電子和它的伙伴“正電子”不斷出現(xiàn)和湮滅的泡沫。在視界附近，這對粒子中的一個會墜入黑洞，而另一個就會進(jìn)入外界宇宙，所以黑洞看上去就像是在產(chǎn)生輻射一樣。由于有輻射，黑洞的能量就會轉(zhuǎn)移到宇宙空間中，而它的質(zhì)量也會因此縮小。最終黑洞會完全蒸發(fā)掉。大質(zhì)量黑洞，如我們星系中心的那個，其完全蒸發(fā)掉的時間要遠(yuǎn)久于宇宙的年齡；較小的所需時間則較短。但無論是哪種方式，實(shí)際上都是在從這個垃圾桶里朝外面拿東西。

所以黑洞實(shí)際上并不是宇宙的垃圾收集中心？

不，實(shí)際上它們?nèi)匀皇?。根?jù)霍金的想像，輻射是完全隨機(jī)的——黑洞輻射出的每一個光子與另一個粒子都是相互獨(dú)立的，所以在輻射中不包含黑洞的信息。無論你多么認(rèn)真地研究霍金輻射，你都無法知道究竟是什么墜入了黑洞。信息丟失了。

那會產(chǎn)生什么問題嗎？

霍金接受了信息的丟失對黑洞的存在是必需的這一說法，但是很多人并不滿意，因?yàn)檫@意味著要放棄量子力學(xué)的一個中心假設(shè)——信息永恒。要撐起這一理論，就得修改已經(jīng)被廣泛接受的量子理論，而后者事實(shí)上已經(jīng)確立并且表現(xiàn)得相當(dāng)好。與愛因斯坦的相對論一樣，它是20世紀(jì)物理學(xué)的兩大偉大發(fā)現(xiàn)之一。

那有解決方案嗎？

也許有。量子理論描述的是粒子的微觀狀態(tài)，而廣義相對論是對宏觀時空的解釋。也許當(dāng)廣義相對論與量子理論合并之時，亞原子，時空的量子力學(xué)本性能夠解開這一謎題。這些亞原子的細(xì)節(jié)在愛因斯坦理論對引力粗糙而宏觀的解釋中缺失了。

量子理論和引力有結(jié)合的跡象嗎？

有。實(shí)際上，就象物理學(xué)中常有的那樣，它們是由一對矛盾結(jié)合為一個新的方案的。

在20世紀(jì)90年代，科學(xué)家試圖用弦理論將量子理論和引力統(tǒng)一起來時，從中得到了一些令人吃驚的發(fā)現(xiàn)。通過數(shù)學(xué)計(jì)算他們發(fā)現(xiàn)，3維宇宙中存在一種特殊級別的黑洞，它們僅由引力支配，相當(dāng)于一個不存在引力但所有粒子和場都遵循量子力學(xué)法則的2維宇宙。量子理論認(rèn)為信息是常存的，所以2維宇宙中的信息不會丟失。而由于這兩個宇宙是相等的，故而有黑洞的3維宇宙也必然也保留了這些信息。但是沒有人確切地知道這是如何發(fā)生的。

你認(rèn)為解決方案是什么？

我認(rèn)為與黑洞有關(guān)的信息編碼在霍金輻射中是有可能的。

在最近的一篇論文中，我和我的同事一起考慮了一種黑洞內(nèi)部不同的量子狀態(tài)。我們提出不同量子狀態(tài)間能量的分別可能是如此之微小，以至于需要非常久，近乎無窮多的時間來分析霍金輻射并確知黑洞中的內(nèi)容。

所以在此意義上，黑洞是一個持續(xù)時間極久的垃圾桶。對于那些比太陽重許多的黑洞來說，這個時間周期會比宇宙當(dāng)前的年齡長得多。因此，它們實(shí)際上是永久存在的。但是當(dāng)宇宙終結(jié)時，黑洞還是會把它里面的東西倒出來，并且重新回收利用。

羅納德·克文（Ron Cowen）是馬里蘭州銀泉市的一位自由科學(xué)撰稿人，專業(yè)方向是天文學(xué)和物理學(xué)。