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(duì)黑洞和自然的認(rèn)識(shí)將會(huì)發(fā)生實(shí)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(yùn)含著一個(gè)物理學(xué)家尚未解決的悖論。目前，兩個(gè)主流的物理學(xué)理論在解釋黑洞如何運(yùn)作時(shí)，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(diǎn)，不僅是為了增進(jìn)對(duì)黑洞的了解，更是想要去回答一些更加深刻的問題，例如“時(shí)空是什么”。

　　雖然我們?cè)谶^去的時(shí)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(gè)理論框架，我相信它可以很好地解決這個(gè)問題，讓我們?cè)谧罨镜膶用嫔侠斫鈺r(shí)空的奧秘。

　　我們面對(duì)的問題是：根據(jù)廣義相對(duì)論的觀點(diǎn)，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(shí)，由于其區(qū)域內(nèi)的引力極強(qiáng)，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(cè)其內(nèi)部，而黑洞被稱為“事件視界”的邊緣就好像是一個(gè)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(yùn)動(dòng)的量子力學(xué)效應(yīng)考慮這一問題時(shí)，會(huì)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(shí)際上在非常緩慢地釋放輻射。而這會(huì)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(yàn)證，它的正確性已經(jīng)毋庸置疑。

　　不過，一個(gè)奇怪的地方在于，在霍金的計(jì)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(gè)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(gè)問題。現(xiàn)代物理學(xué)建立在這樣的假設(shè)上：如果我們對(duì)于一個(gè)體系具有充分的認(rèn)知，我們就能解出其運(yùn)動(dòng)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(cuò)誤的。很多科學(xué)家認(rèn)為這個(gè)問題已經(jīng)在1997年得到了解決，當(dāng)時(shí)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(gè)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?cè)谝黄绊懥艽蟮恼撐闹刑峁┝艘豁?xiàng)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(huì)產(chǎn)生矛盾。他們?cè)谡撐闹刑岢?，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(shí)，他們認(rèn)為黑洞的事件視界事實(shí)上并不是一個(gè)單向薄膜，而是類似于某種堅(jiān)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(gè)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(duì)論存在問題，至少在解釋黑洞事件視界時(shí)是錯(cuò)的。

　　實(shí)際上，這個(gè)理論是完全違背直覺的。對(duì)于大質(zhì)量黑洞，事件視界處的引力確實(shí)很弱，這是因?yàn)樗嚯x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(huì)突然“終結(jié)”。

　　我的新工作的重點(diǎn)是，一個(gè)黑洞存在著多個(gè)層次的描述。黑洞信息的留存和事件視界的平滑對(duì)應(yīng)的是不同層次的理論。在一個(gè)層次上，我們能從遠(yuǎn)距離描述一個(gè)黑洞：黑洞形成于物質(zhì)坍塌，最終會(huì)蒸發(fā)消亡，在太空中留下霍金輻射的量子。從這個(gè)視角來看，馬爾達(dá)西納的觀點(diǎn)十分恰當(dāng)，而這一過程中黑洞并沒有丟失信息。因?yàn)樵谶@一場(chǎng)景中，一個(gè)落向黑洞的事物永遠(yuǎn)不會(huì)進(jìn)入事件視界，這不是由于火墻的存在，而是因?yàn)槁淙牒诙吹氖挛锖瓦h(yuǎn)方的觀測(cè)者之間存在時(shí)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(huì)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(gè)正落入黑洞的人的角度來觀察整個(gè)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(cè)體系中某些細(xì)節(jié)，例如，正下落的觀測(cè)者可能在轉(zhuǎn)瞬之間就落入黑洞中心的奇點(diǎn)，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(cè)者感知到的世界，是非?！按致浴钡摹６谶@種情況下，并不需要保存信息，因?yàn)槲覀優(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(shí)空與信息留存的相容方式：它們對(duì)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(gè)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(jí)上，水是大量水分子的集合，它會(huì)運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)，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(huì)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(gè)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(huì)包含水在原子水平上的信息。舉例來說，我們可以簡(jiǎn)單地形容水波“消失了”，雖然事實(shí)是構(gòu)成了波的分子連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成了分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，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(duì)論描述的時(shí)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(duì)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(gè)相對(duì)較高的層級(jí)。

　　科學(xué)家曾通過多種形式討論過類似的觀點(diǎn)，但是這個(gè)新的理論框架，讓我們可以明確地判斷出一些相對(duì)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(shí)空的形成，并很可能蘊(yùn)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(xiàng)目中。該項(xiàng)目計(jì)劃將馬爾達(dá)西納描述的黑洞場(chǎng)景應(yīng)用于一些更加嚴(yán)格但簡(jiǎn)化的系統(tǒng)。這會(huì)幫助我們辨別一個(gè)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(shí)代開始，物理學(xué)革命就通常與對(duì)時(shí)空概念的新理解密不可分，而我們似乎正處于這樣一場(chǎng)變革的途中。我認(rèn)為用不了多久，我們就能對(duì)自然產(chǎn)生新的理解，而后者不僅會(huì)有質(zhì)的改變，且會(huì)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(fèi)、優(yōu)惠的活動(dòng)和科普好物！