短期内难解决 黑洞悖论十分棘手

这个星期，斯蒂芬-霍金（Stephen Hawking）解决了黑洞信息悖论的消息让物理学界变得沸沸扬扬。消息甚至说霍金发现了“逃离黑洞的方法”

这个星期，斯蒂芬-霍金（Stephen Hawking）解决了黑洞信息悖论的消息让物理学界变得沸沸扬扬。消息甚至说霍金发现了“逃离黑洞的方法”。但是，这些令人眼花缭乱的消息来得早了一些，这个悖论似乎并不那么容易解决。

霍金是剑桥大学的物理学家，他是第一个提出黑洞信息悖论的人。那还是在20世纪70年代，霍金预言黑洞（理论上是无法逃逸的引力陷阱）实际上会泄露出一些光来，这就是所谓的“霍金辐射”。按照霍金的说法，黑洞会不断发出辐射，直至彻底蒸发。这样的结果产生了新的问题，因为这似乎表明黑洞可以摧毁信息――而根据量子力学，这是绝对不可能的。

一个悖论

黑洞和其他事物一样，应该会保存其形成时的量子力学记录。例如，黑洞可能产生于大型恒星的消亡，恒星用于核聚变的燃料用尽，在自身引力的作用下不断坍塌，最终形成黑洞。根据量子力学，黑洞应该储存了产生它的恒星及所有后来被吸入黑洞的物质的信息。但是如果黑洞某一天蒸发了，这些信息似乎也将会被摧毁。

物理学家已经尝试寻找让信息通过霍金辐射逃脱，而不至于与黑洞一同消亡的方法。这一方案的问题是，黑洞看起来并没有办法通过这种辐射来传递信息。根据最早预言黑洞的广义相对论，黑洞实际上是一种非常简单的天体，它只有三种属性：质量、电荷和角动量；除了这些数值外，黑洞没有任何其他性质，也没有其他细节。用物理学界的俗语讲，黑洞是一种“无毛”的天体。

8月25日，霍金在斯德哥尔摩瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）做报告时，提出了一种对信息丢失悖论可能的解释，即给黑洞“植发”的方法：“我认为信息并非像人们预料的那样储存在黑洞内部，而是储存于它的边界，也就是事件视界（the event horizon）。”他说。事件视界是黑洞的理论边界，一个任何物体都“有进无出”的球面。霍金进一步表示，信息存在于事件视界上的“超级译本（supertranslation）”中，它们是死亡恒星及落入黑洞的物质在第一次穿过视界时形成的痕迹，可以改变通过霍金辐射所发射出的粒子的位置和时机。霍金承认这些信息并不容易恢复，但是至少会维持信息不被摧毁，这也就解决了黑洞信息悖论。“进入黑洞的粒子的信息最终回到了宇宙，”他说，“只是以一种混乱无用的形式。所以说，实际上，这些信息没有凭空消失，只是我们找不到了而已。”

更大的困惑

大多数物理学家认为，要判定霍金的想法是否是一个真正的突破还为时尚早。他的报告非常简短：他和两个合作者――剑桥大学的物理学家马尔科姆-佩里（Malcolm Perry）及哈佛大学的安德鲁-施特罗明格（Andrew Strominger）――计划在下个月发表论文，详细深入的论述他们的想法。“我觉得（这个想法）很有前景，”参加会议的北欧理论物理研究所的物理学家扎比内-霍森费尔德（Sabine Hossenfelder）说，“但目前，它还不是一个完整的答案。”

霍金认为超级译本可以编码信息，也解释了这种想法背后的理论基础。“可能是这样的，”霍森菲尔德补充道，“但是其具体机制与效率还目前还不明确。而且，按照超级译本存储信息的机制，它们实际上会存储过量的信息！”

超级译本很难成为唯一的解释。最近几年，物理学家想出了一大堆点子来解决信息丢失悖论，使悖论愈发复杂。“坦诚地讲，我认为相比以前而言，（信息悖论）反倒陷入了更大的困境中，”瑞典乌萨普大学的物理学家乌尔夫-丹尼尔松（Ulf Danielsson）说，“霍金表示他已经解决了信息悖论，而对我来说，这意味着又加入了一种观点，但问题是：这到底真的会解决一些问题，还是把我们丢进了更大的困惑中？我还不是很确定。”

更大的谜团

无论霍金的方案是对是错，这一问题仍将是物理学的热点。这一难题不仅仅与黑洞有关，更是与宇宙的性质及起源之谜有着深刻的关联。为了回答这一问题，物理学家们可能不仅仅需要更好地理解黑洞，还需要理解全部的量子引力理论――一个目前仍未被找到的理论。

某种程度上讲，黑洞是一种令人费解的天体，因为它们涉及到了两种不同的自然理论――统治亚原子世界的量子力学，及描述引力并支配大尺度宇宙的广义相对论。然而，这两个理论从根本上是不相容的。物理学家们急需一种用量子规则描述引力的方法。由于同时涉及量子力学和广义相对论，信息丢失悖论“给了我们一个关注现有知识与未知领域的机会，并敦促我们试图去解开量子引力不同假说的含义。”来自加拿大圆周理论物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics）的物理学家李-斯莫林（Lee Smolin）说。

斯莫林和霍森费尔德最近合作发表了一篇综述论文，总结了信息丢失之谜所有可能的解决方案，大体上将它们归为六类，每一类都从不同的角度解决悖论。一种可能是，量子力学认为信息不可凭空消失的论断是错误的，信息真的被摧毁了。另一类方案认为，黑洞内部存在一个全新的时空区域，即“婴儿宇宙”，在这个区域内可以保存信息。还有一种解决方案设想了一种理论上的天体――“白洞”，白洞是黑洞的对立面，在白洞中时间流是反向的，任何物体都不能进入白洞，只能从白洞中涌出（包括信息）。第四类方案认为，黑洞永远不会彻底蒸发――它们只会收缩到极小的尺度，从而将信息保存下来。在第五类方案中，信息以某种方式从黑洞内部复制到了外部，所以当黑洞毁灭时，黑洞外的信息备份还存在。最后一类方案认为，信息是在黑洞视界上以各种方式被编码出来的――霍金的想法就属于这一类。“很不幸，我认为实际情况是，我们有了一个谜题，也有了一些解决方案，但我们知道的还不够。”斯莫林说。“甚至有这种可能，自然界存在许多不同类型的黑洞，某些黑洞可以以一种方案解释，而另一些则需要用其他的方式来解释。”

然而最终的结果是，对信息丢失悖论的探讨不仅仅会影响黑洞，还可能会影响一个在理论上与之相关的事件――大爆炸。狭小致密的黑洞与假想中宇宙诞生时的状态十分相似，许多物理上的考量也同样适用。这两种情况在数学上都预言了“奇点（singularity）”的存在，奇点是一个无穷致密、无穷小的时空点。一些物理学家认为这些无穷大的量证明方程出错了，而另一些人则坚持奇点是一种物理现实。如果去除了奇点概念的量子引力理论可以解决信息丢失悖论，就可能意味着我们宇宙有着另一种起源。“时间仍存在一个起点吗？”斯莫林问，“或者说奇点其实并不存在，大爆炸只是宇宙反弹回来的时刻？所以大爆炸发生之前，宇宙就已经存在？”