黑洞信息悖論：進入黑洞的信息去了哪裡

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編譯團隊 |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.

據谷歌數據指出，史蒂芬霍金是當今在世最著名的物理學家，如果你對物理有所了解，那麼你應該知道他最著名的理論就是黑洞信息悖論。在霍金之前，黑洞並不是自相矛盾的，如果你扔一本書到黑洞，你將再無法閱讀到這本書。這是因為外界無法觸及從黑洞視界（event horizon）穿過的東西。黑洞視界（event horizon）是一個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，沒有物理學家為之繼續研究，它們認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黑洞視界（event horizon）和外面的時空做過明確的預測，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年他表明黑洞發散輻射但不攜帶任何信息。這完全是隨機的，除了作為能量函數的粒子分布，即溫度與黑洞質量成反比的普朗克譜函數（Planck spectrum）。如果黑洞發射出粒子，它將失去質量、收縮且溫度變得更高。足夠的時間和足夠多的發射量之後，黑洞將完全消失，毫無任何返回信息。這個黑洞從此不復存在，當然你扔進去的書也就不在裡面了。那麼，這些信息都去哪兒了？

你可能會不屑地說：「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。在實踐中我們確實總會丟失信息，如果你燒了一本書，你不能夠再次看到書中的內容。然而，從根本上說，構成這本書的所有信息仍然存在於煙霧和灰燼之中。

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是可以恢復的。網上圖片。

對於目前最容易理解的理論來說，這是因為自然規律可以向前或者向後運動，每一個初始狀態對應唯一一個終止狀態，從來沒有兩個初始狀態會以同一個終止狀態結束。燒書的例子看起來很難逆向運動，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。這是一個極其不可能的過程，在現實中也不可能看得到。但是，在原則上它是可以發生的。

黑洞則不是這樣的，當看到結果時你會發現任何形式的黑洞都沒有什麼區別，最後你得到的只有熱輻射，也就是「霍金輻射」，這是一個悖論：黑洞蒸發是一個不可逆的過程。這讓物理學家們汗顏，因為它表明他們還未真正理解自然規律。

白線表示黑洞視界的預期邊界。根據我們最好的物理定律，裡面的信息永遠都出不來。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，因為它反映了理論本質的不一致性。例如霍金在他的計算中，當結合廣義相對論與標準模型的量子場論，得到的結果與量子理論並不兼容。從根本上說，任何涉及粒子交互的過程都是可逆的。由於黑洞蒸發的不可逆性，霍金表明這兩個理論是不吻合的。

這種矛盾的明顯根源來源於不可逆的蒸發並不考慮時間和空間的量子特性。為此，我們需要一個目前還未形成的量子引力理論。大多數物理學家認為，量子引力仍然會存在悖論，只是如何作用，他們仍然不清楚。

受愛因斯坦支配的萬有引力，以及受量子物理學支配的其他理論（強、弱和電磁作用），是支配宇宙萬物的兩個獨立的準則，但是他們在根本上是不相容的。圖片來源：SLAC國家加速實驗室（SLAC National AcceleratorLaboratory）。

然而，我們很難指責量子力學論，在廣義相對論正常運轉的體制中，沒有什麼有趣的事情發生在這一視界。因為量子引力的強度取決於時空的曲率，但是黑洞視界的曲率則與黑洞的質量成反比，也就是黑洞質量越大，視界上的量子引力效應就越小。

只有當黑洞達到普朗克質量（物理學名詞，弦理論中的一根振動的弦的典型等價質量），約10毫克，量子引力效應才會變得明顯。當黑洞收縮到臨界大小時，由於量子引力的關係，信息會被釋放出來。但在那之前，任意大量的信息都可能會被封閉在黑洞中，這取決於黑洞本身的構成。並且如果黑洞只剩下普朗克質量，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難題。聽上去可能會覺得奇怪，這樣一個稀奇古怪的問題竟得到了如此大量的關注。對於這一點，物理學家們有很好的解釋。黑洞的蒸發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。解決這個悖論將會是一個巨大的突破，並且毫無疑問，這將使我們對自然在概念上有一個的全新認知。

迄今為止，大多數關於黑洞信息流失問題的解決方法都可以被歸入以下四類，但每一類都有優缺點。

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現。圖片來源：Petr Kratochvil。

1.信息在早期被釋放。

信息在黑洞達到普朗克質量之前就被早早地泄露出來。這是當前最流行的觀點。然而，有兩點還不是很清楚：信息如何被編碼入射線中以及該觀點如何繞過霍金計算的結論。

這個解決方案的優點在於，它與我們已知的黑洞熱力學兼容。缺點是，如果這個解釋是正確的，那麼某種非局域性——「幽靈般的超距作用」（譯者按：由愛因斯坦命名的一種物理學觀點。觀點認為相隔一定距離的兩個物體之間存在直接的、瞬時的相互作用，不需要任何媒質傳遞，也不需要任何傳遞時間。）——似乎是不可避免的。更糟糕的是，最近一項研究稱，如果信息是在早期被釋放出來，那麼黑洞會被一種高能屏障所環繞：一面「火牆」。假設「火牆」真的存在，這就違背了廣義相對論所基於的等效性原理。令人十分頭疼。

圖片來源：歐洲航天局（ESA），請通過以下網址訪問：http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/blackholes

2. 信息被保留下來，或在後期被釋放。

在這種情況下，信息會待在黑洞里直到量子引力效應變強，即黑洞達到普朗克質量時。那時，信息要麼隨著剩餘的能量被釋放，要麼被永遠鎖在黑洞的殘餘裡面。

該觀點的優點是，它不要求我們為了使廣義相對論或量子理論體製成立而做出修改。它們（黑洞）剛好在我們期望的時候解體，即當時空曲率變得很大的時候。缺點是，有人認為這個觀點會導致另一個悖論，就是在弱背景區域可能會無限制地產生成對的黑洞：我們身邊無處不在。雖然這個反駁的理論支持比較薄弱，但還是被廣泛採納。

活躍的星系在吞噬的同時，也會加速並噴出那些靠近星系中心超大質量黑洞的坍塌物質。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。

這種觀點的支持者相信，信息在掉進黑洞的那刻就丟失了。該觀點長期以來被認為是違反了能量守恆定律，並會引發另一項矛盾。然而最近幾年，從新出現的論據來看，在信息流失的情況下能量可能還是守恆的。因此這項觀點有重振的跡象。不過據我估計，這個觀點是最不流行的一個。

然而，很像第一種觀點，為人所相信的並不一定就是問題真正的解答。想讓這個方案可行的話，就需要修改量子理論。同時，這樣的修改絕對不能和任何檢驗量子力學的實驗相衝突。這其實很難。

很可能我們所理解的黑洞並不是「黑」的；微妙之處在於這個悖論是如何被徹底避免的。圖片來源：Dana Berry/NASA。