我們能否解決黑洞信息悖論？答案或許是肯定的。在這一過程中，我們對黑洞和自然的認(rèn)識將會發(fā)生實質(zhì)性的改變，進(jìn)入到更加微觀的層次。

　　撰文?| 野村泰紀(jì)（Yasunori Nomura）

　　翻譯?| 趙劍琳

　　作為宇宙中最特別的一種天體，黑洞蘊含著一個物理學(xué)家尚未解決的悖論。目前，兩個主流的物理學(xué)理論在解釋黑洞如何運作時，產(chǎn)生了完全不同甚至矛盾的結(jié)果。

　　包括我在內(nèi)的很多科學(xué)家嘗試去調(diào)和這些觀點，不僅是為了增進(jìn)對黑洞的了解，更是想要去回答一些更加深刻的問題，例如“時空是什么”。

　　雖然我們在過去的時間里已經(jīng)取得了一部分成果，但問題并沒有得到解決。不過，我在過去幾年建立了一個理論框架，我相信它可以很好地解決這個問題，讓我們在最基本的層面上理解時空的奧秘。

　　我們面對的問題是：根據(jù)廣義相對論的觀點，當(dāng)天體的密度過高，在引力作用下物質(zhì)向中心坍塌，并形成了黑洞。黑洞生成時，由于其區(qū)域內(nèi)的引力極強，任何物體——甚至是光線——都無法從中逃離。從原理上講，我們無法從黑洞外面觀測其內(nèi)部，而黑洞被稱為“事件視界”的邊緣就好像是一個單向薄膜：物質(zhì)無法從黑洞內(nèi)部向外部逃逸，但卻能從黑洞外部很容易地進(jìn)入其內(nèi)部。

　　但當(dāng)我們利用解釋基本粒子運動的量子力學(xué)效應(yīng)考慮這一問題時，會得到不同的答案。1974年，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出了著名的霍金輻射。他發(fā)現(xiàn)如果我們考慮黑洞的量子力學(xué)效應(yīng)，它實際上在非常緩慢地釋放輻射。而這會導(dǎo)致黑洞不斷損失質(zhì)量，并最終消亡。如今，這一結(jié)論已經(jīng)得到了多種方法的驗證，它的正確性已經(jīng)毋庸置疑。

　　不過，一個奇怪的地方在于，在霍金的計算中，黑洞釋放的輻射與它的形成方式無關(guān)。這意味著兩個通過不同的初始態(tài)形成的黑洞，最終以同樣的方式釋放輻射。

　　而這毫無疑問是一個問題。現(xiàn)代物理學(xué)建立在這樣的假設(shè)上：如果我們對于一個體系具有充分的認(rèn)知，我們就能解出其運動方程，從而預(yù)言它的未來、推斷它的過去。而霍金給出的結(jié)論意味著這一基本原則是錯誤的。很多科學(xué)家認(rèn)為這個問題已經(jīng)在1997年得到了解決，當(dāng)時胡安·馬爾達(dá)西納（Juan Maldacena）提出了一種新方法來解釋這一問題，似乎能證明黑洞并沒有損失信息，但他并沒有真正解決這個問題。

　　2012年，加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的艾哈邁德·阿爾姆海里（Ahmed Almheiri）和同事們在一篇影響力很大的論文中提供了一項有力論據(jù)，證明如果黑洞在霍金輻射過程中不存在信息丟失，那它與事件視界的“平滑”就會產(chǎn)生矛盾。他們在論文中提出，事物可以不受干擾地通過事件視界。當(dāng)不考慮信息丟失時，他們認(rèn)為黑洞的事件視界事實上并不是一個單向薄膜，而是類似于某種堅固的墻，他們稱之為“火墻”。

　　這讓理論物理學(xué)家十分困惑，雖然他們不愿意認(rèn)同信息丟失，但同樣也無法接受這個火墻理論。其他暫且不論，火墻理論暗示愛因斯坦的廣義相對論存在問題，至少在解釋黑洞事件視界時是錯的。

　　實際上，這個理論是完全違背直覺的。對于大質(zhì)量黑洞，事件視界處的引力確實很弱，這是因為它距離物質(zhì)匯聚的黑洞中心太遠(yuǎn)。因此，事件視界附近的區(qū)域看起來就像是完全的真空，但火墻理論認(rèn)為，空間在黑洞的“事件視界”上會突然“終結(jié)”。

　　我的新工作的重點是，一個黑洞存在著多個層次的描述。黑洞信息的留存和事件視界的平滑對應(yīng)的是不同層次的理論。在一個層次上，我們能從遠(yuǎn)距離描述一個黑洞：黑洞形成于物質(zhì)坍塌，最終會蒸發(fā)消亡，在太空中留下霍金輻射的量子。從這個視角來看，馬爾達(dá)西納的觀點十分恰當(dāng)，而這一過程中黑洞并沒有丟失信息。因為在這一場景中，一個落向黑洞的事物永遠(yuǎn)不會進(jìn)入事件視界，這不是由于火墻的存在，而是因為落入黑洞的事物和遠(yuǎn)方的觀測者之間存在時間滯后。事物看起來好像正“緩慢地”被事件視界吸入，隨后它的信息會通過霍金輻射中粒子之間的微妙聯(lián)系，返回到太空中。

　　在另一方面，如果我們從一個正落入黑洞的人的角度來觀察整個體系，就能看到黑洞內(nèi)部的情況。不過我們必須忽視這一觀測體系中某些細(xì)節(jié)，例如，正下落的觀測者可能在轉(zhuǎn)瞬之間就落入黑洞中心的奇點，來不及看到任何東西。理論上，在這一過程中，他們能夠獲取的信息是極其有限的。因此，下落的觀測者感知到的世界，是非常“粗略”的。而在這種情況下，并不需要保存信息，因為我們?yōu)榱诉_(dá)到這一觀察視角，早已丟棄了一些信息。

　　這也就是黑洞內(nèi)部的時空與信息留存的相容方式：它們對黑洞性質(zhì)的描述處于不同的層次上！

　　為了更好地理解這一概念，我們可以利用這樣的類比。想象一個裝滿水的罐子，一種理論能描述它表面的水波。在最基本的層級上，水是大量水分子的集合，它會運動、振動，彼此碰撞。在我們充分理解其特性的前提下，我們可以準(zhǔn)確地描述它，且不會丟失任何信息。這種描述是完整的，甚至不需要引入波的概念。在另一方面，我們可以忽視這個分子視角，將視線聚焦于水波，將水描述為一種液體。但是，在這一描述中，并不會包含水在原子水平上的信息。舉例來說，我們可以簡單地形容水波“消失了”，雖然事實是構(gòu)成了波的分子連續(xù)運動轉(zhuǎn)化成了分子的隨機運動，但沒有任何物質(zhì)真正消失。

　　這一理論框架告訴我們，廣義相對論描述的時空景象并不像我們所以為的，是一種最基本的描述。至少它對黑洞內(nèi)部的描述，在黑洞的多層次性質(zhì)描述上，處于一個相對較高的層級。

　　科學(xué)家曾通過多種形式討論過類似的觀點，但是這個新的理論框架，讓我們可以明確地判斷出一些相對微觀的自由度，或者說是自然的基本結(jié)構(gòu)單元。它參與了時空的形成，并很可能蘊含著一些遠(yuǎn)在我們興趣之外的理論。

　　這種關(guān)于黑洞悖論的新的思考方式，也可以應(yīng)用于最近由杰夫·普寧頓（Geoff Penington）、史蒂芬·H·申克（Stephen H。 Shenker）、道格拉斯·斯坦福（Douglas Stanford）和楊振斌（音譯）開展的項目中。該項目計劃將馬爾達(dá)西納描述的黑洞場景應(yīng)用于一些更加嚴(yán)格但簡化的系統(tǒng)。這會幫助我們辨別一個真正的黑洞有哪些特性能夠或是不能通過理論分析。

　　從笛卡爾和伽利略的時代開始，物理學(xué)革命就通常與對時空概念的新理解密不可分，而我們似乎正處于這樣一場變革的途中。我認(rèn)為用不了多久，我們就能對自然產(chǎn)生新的理解，而后者不僅會有質(zhì)的改變，且會更加深刻。

　　本文轉(zhuǎn)自環(huán)球科學(xué)?

歡迎掃碼入群！

深圳科普將定期推出

公益、免費、優(yōu)惠的活動和科普好物！