黑洞信息悖论:进入黑洞的信息去了哪里

大数据文摘作品,转载具体要求见文末

编译团队 | 小浪 邱猛 杨捷

作者 | Sabine Hossenfelder

黑洞可以吞噬宇宙万物,但若想再次获取信息仍然不易。图片来源:ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser.

据谷歌数据指出,史蒂芬霍金是当今在世最著名的物理学家,如果你对物理有所了解,那么你应该知道他最著名的理论就是黑洞信息悖论。在霍金之前,黑洞并不是自相矛盾的,如果你扔一本书到黑洞,你将再无法阅读到这本书。这是因为外界无法触及从黑洞视界(event horizon)穿过的东西。黑洞视界(event horizon)是一个可以捕获任何东西甚至光的封闭表面。所以没有任何信息可以逃出黑洞,你扔的那本书自然就消失了。不幸的是,没有物理学家为之继续研究,它们认为书中的信息可能在看不到的地方,但是没有任何矛盾之处。

虽然爱因斯坦的理论对黑洞视界(event horizon)和外面的时空做过明确的预测,但是量子修正可以显著改变黑洞视界。图片来源:NASA

接着是史蒂芬•霍金,1974年他表明黑洞发散辐射但不携带任何信息。这完全是随机的,除了作为能量函数的粒子分布,即温度与黑洞质量成反比的普朗克谱函数(Planck spectrum)。如果黑洞发射出粒子,它将失去质量、收缩且温度变得更高。足够的时间和足够多的发射量之后,黑洞将完全消失,毫无任何返回信息。这个黑洞从此不复存在,当然你扔进去的书也就不在里面了。那么,这些信息都去哪儿了?

你可能会不屑地说:“好吧,它不见了,那又怎样?我们不也一直在丢失信息吗?”不,至少原则上我们没有。在实践中我们确实总会丢失信息,如果你烧了一本书,你不能够再次看到书中的内容。然而,从根本上说,构成这本书的所有信息仍然存在于烟雾和灰烬之中。

燃烧任何东西好像都是在毁灭,然而原则上,如果我们追踪燃烧出来的一切,在燃烧之前的所有状态是可以恢复的。网上图片。

对于目前最容易理解的理论来说,这是因为自然规律可以向前或者向后运动,每一个初始状态对应唯一一个终止状态,从来没有两个初始状态会以同一个终止状态结束。烧书的例子看起来很难逆向运动,但是如果你可以非常小心地以正确的方式组装那些烟雾和灰烬,你就可以得到那本从未燃烧的书。这是一个极其不可能的过程,在现实中也不可能看得到。但是,在原则上它是可以发生的。

黑洞则不是这样的,当看到结果时你会发现任何形式的黑洞都没有什么区别,最后你得到的只有热辐射,也就是“霍金辐射”,这是一个悖论:黑洞蒸发是一个不可逆的过程。这让物理学家们汗颜,因为它表明他们还未真正理解自然规律。

白线表示黑洞视界的预期边界。根据我们最好的物理定律,里面的信息永远都出不来。图片来源:Ute Kraus, Physics education group Kraus,Universität Hildesheim;背景:Axel Mellinger。

黑洞信息丢失是自相矛盾的,因为它反映了理论本质的不一致性。例如霍金在他的计算中,当结合广义相对论与标准模型的量子场论,得到的结果与量子理论并不兼容。从根本上说,任何涉及粒子交互的过程都是可逆的。由于黑洞蒸发的不可逆性,霍金表明这两个理论是不吻合的。

这种矛盾的明显根源来源于不可逆的蒸发并不考虑时间和空间的量子特性。为此,我们需要一个目前还未形成的量子引力理论。大多数物理学家认为,量子引力仍然会存在悖论,只是如何作用,他们仍然不清楚。

受爱因斯坦支配的万有引力,以及受量子物理学支配的其他理论(强、弱和电磁作用),是支配宇宙万物的两个独立的准则,但是他们在根本上是不相容的。图片来源:SLAC国家加速实验室(SLAC National AcceleratorLaboratory)。

然而,我们很难指责量子力学论,在广义相对论正常运转的体制中,没有什么有趣的事情发生在这一视界。因为量子引力的强度取决于时空的曲率,但是黑洞视界的曲率则与黑洞的质量成反比,也就是黑洞质量越大,视界上的量子引力效应就越小。

只有当黑洞达到普朗克质量(物理学名词,弦理论中的一根振动的弦的典型等价质量),约10毫克,量子引力效应才会变得明显。当黑洞收缩到临界大小时,由于量子引力的关系,信息会被释放出来。但在那之前,任意大量的信息都可能会被封闭在黑洞中,这取决于黑洞本身的构成。并且如果黑洞只剩下普朗克质量,我们很难用如此少量的能量去编码如此大量的信息。

在过去的四十年中,一些世界上最聪明的人都在尝试解决这个难题。听上去可能会觉得奇怪,这样一个稀奇古怪的问题竟得到了如此大量的关注。对于这一点,物理学家们有很好的解释。黑洞的蒸发是理解量子理论与引力相互作用的最好例子,因此它也可能是我们找到正确量子引力理论的钥匙。解决这个悖论将会是一个巨大的突破,并且毫无疑问,这将使我们对自然在概念上有一个的全新认知。

迄今为止,大多数关于黑洞信息流失问题的解决方法都可以被归入以下四类,但每一类都有优缺点。

在黑洞形成的早期,信息可能从黑洞中逃逸,但其中的原理尚未被发现。图片来源:Petr Kratochvil。

1.信息在早期被释放。

信息在黑洞达到普朗克质量之前就被早早地泄露出来。这是当前最流行的观点。然而,有两点还不是很清楚:信息如何被编码入射线中以及该观点如何绕过霍金计算的结论。

这个解决方案的优点在于,它与我们已知的黑洞热力学兼容。缺点是,如果这个解释是正确的,那么某种非局域性——“幽灵般的超距作用”(译者按:由爱因斯坦命名的一种物理学观点。观点认为相隔一定距离的两个物体之间存在直接的、瞬时的相互作用,不需要任何媒质传递,也不需要任何传递时间。)——似乎是不可避免的。更糟糕的是,最近一项研究称,如果信息是在早期被释放出来,那么黑洞会被一种高能屏障所环绕:一面“火墙”。假设“火墙”真的存在,这就违背了广义相对论所基于的等效性原理。令人十分头疼。

图片来源:欧洲航天局(ESA),请通过以下网址访问:http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/blackholes

2. 信息被保留下来,或在后期被释放。

在这种情况下,信息会待在黑洞里直到量子引力效应变强,即黑洞达到普朗克质量时。那时,信息要么随着剩余的能量被释放,要么被永远锁在黑洞的残余里面。

该观点的优点是,它不要求我们为了使广义相对论或量子理论体制成立而做出修改。它们(黑洞)刚好在我们期望的时候解体,即当时空曲率变得很大的时候。缺点是,有人认为这个观点会导致另一个悖论,就是在弱背景区域可能会无限制地产生成对的黑洞:我们身边无处不在。虽然这个反驳的理论支持比较薄弱,但还是被广泛采纳。

活跃的星系在吞噬的同时,也会加速并喷出那些靠近星系中心超大质量黑洞的坍塌物质。或许信息也从根本上流失了。图片来源:美国航空及太空总署(NASA)、欧洲航天局(ESA)和 E. Meyers (STScI)。

3. 信息被毁。

这种观点的支持者相信,信息在掉进黑洞的那刻就丢失了。该观点长期以来被认为是违反了能量守恒定律,并会引发另一项矛盾。然而最近几年,从新出现的论据来看,在信息流失的情况下能量可能还是守恒的。因此这项观点有重振的迹象。不过据我估计,这个观点是最不流行的一个。

然而,很像第一种观点,为人所相信的并不一定就是问题真正的解答。想让这个方案可行的话,就需要修改量子理论。同时,这样的修改绝对不能和任何检验量子力学的实验相冲突。这其实很难。

很可能我们所理解的黑洞并不是“黑”的;微妙之处在于这个悖论是如何被彻底避免的。图片来源:Dana Berry/NASA。

4. 黑洞根本不存在。

黑洞从未产生过或信息不能穿越视界。这种观点时不时冒出来,但从未变得流行。当然它的优点很明显,就是能够绕过霍金计算的结论。不利的一面是,它在小区率范围内和广义相对论的理论相去甚远,因此也很难与引力精度测试相一致。

也有一些被提出的解答方案并不属于这其中的任何一类,但我不会也无法在这里一一回顾它们。事实上,在这个论题上并没有一篇优质的文献综述,可能因为一想到要编译这样一篇就觉得极其困难吧。毕竟这方面的文献可谓是不计其数。黑洞信息流失可以说是有史以来最具争议的论题,这一点毫无争议。

并且注定会一直如此。现在我们能观测到黑洞的温度信息实在是太微弱了,以至于很难被察觉到。所以在可预见的未来,没人会去测量信息穿越黑洞视界时发生的事情。那么让我来做个预言。十年后的现在,那个问题依旧没有被解决。

史蒂芬•霍金七十三岁时(2015年)和理查•欧文顿以及大卫•爱登堡爵士在牛津大学韦斯顿图书馆(创建于1946年,2011年闭馆翻修,2015年重新开放)的开馆仪式上的合影。图片来源:John Cairns/The Bodleian Libraries。

霍金刚刚庆祝完他的七十五岁生日,这对他自己来说也是一项了不起的成就。五十年前,他的医生就断言他不久将要离世,但是他顽强地活了下去。黑洞信息悖论将证明它会更加棘手。除非出现革命性突破,否则它可能比我们都“活得久”。

(很抱歉我没有列参考书目。如果我要开始列的话,恐怕到2020年都完不成吧。)

作者Sabine是一位理论物理学家,专攻量子引力和高能物理,同时也是一位科学类文章的自由作者。

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原文发布于微信公众号 - 大数据文摘(BigDataDigest)

原文发表时间:2017-02-12

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