这一次，霍金真的能驯服黑洞？
文：李剑龙 转载微信公众号：南方周末这一次，霍金真的能驯服黑洞？
英国著名科学家斯蒂芬·霍金教授再次以其与黑洞有关的理论震惊物理学界。 （东方IC/图）
霍金有关黑洞的最新论文叫“黑洞的信息保存和天气预报”，其含义是说，信息虽然保存了下来，但是变得十分混乱，就像地球上的天气预报一样无法做到绝对准确。
本文首发于南方周末
微信号：nanfangzhoumo
在最近的40年中，理论物理学家对黑洞爱恨难分。爱的是黑洞就像一只白鼠，可以任由他们试验各种奇思妙想；恨的是黑洞又像一群白蚁，将物理大厦的基础噬咬得摇摇欲坠。
不管是白鼠还是白蚁，这个动静最初是由霍金引发的。而又是霍金，在2015年8月25日提出了一个惊人的观点：他的新理论可能驯服了黑洞。
1
黑洞辐射让信息丢失？
你问任何一个物理学家，什么是黑洞？他一定会告诉你，黑洞就是一个引力特别强大的地方，任何东西掉进去都永远也无法逃出来，就连光也不例外。这个曾经根深蒂固的观念在40年前就被霍金颠覆了。他证明，黑洞就像任何有温度的物体一样，会不断向外发出辐射，也就是霍金辐射。
霍金辐射让冷酷的黑洞变得稍微有了一些人情味儿，但理论物理学家却为此头疼不已。任何一个粒子都可以携带信息，假如信息随着粒子落入一个黑洞之中，这个黑洞又会向外辐射新的粒子，那么粒子的信息会随之辐射出来吗？霍金最初的回答是否定的。
通常，任何一种已知的物理基本方程都不会破坏信息，它们只会让粒子的状态不断变化，将信息不断“加密”。理论上讲，只要你找到正确的“解密”方法，总可以将粒子携带的信息读取出来。
然而，霍金辐射是一种混乱的热辐射，黑洞不会记得之前吞进了什么信息，只会蛮不讲理地随机向外发出辐射。于是，信息会全部变成乱码，不可能再还原出来。
霍金坚信他的计算是正确的，还为此跟人打赌，说黑洞一定会让信息丢失。
2
撼动物理学的基石
信息丢失是一个非常严重的问题。这是因为，从量子力学的方面来看，信息丢失等价于概率不守恒。
相对论的发明者爱因斯坦有句名言，说“上帝不会掷色子”。这句话是为了揶揄量子力学的一位发明者尼尔斯·玻尔。在玻尔看来，量子力学的世界不是确定的，而是概率性的。这种情况就好比上帝通过不断掷色子而决定世界如何变化。
一个色子有6个面，将掷出6个面的概率加起来总是等于1。而信息丢失则意味着，任何色子掷出任何面的概率加起来总是不等于1。如果承认霍金的理论，那么上帝不但掷色子，“还会把色子掷到看不见的地方去”。
具有讽刺意味的是，黑洞的概念诞生于爱因斯坦的广义相对论，霍金辐射诞生于在黑洞周围计算量子力学方程，而黑洞信息丢失则意味着广义相对论和量子力学存在严重的矛盾。
“霍金的这个论断在物理学中引发了一场危机，这种基本原理间的冲突自爱因斯坦青年时代以来再也没有出现过。”
黑洞研究专家，《黑洞战争》的作者莱纳德·萨斯坎德曾经这样说。
3
手心手背都是肉
物理学家总是希望用尽可能少的方程描述尽可能多的现象。如今，人类所有已知的物理现象都可以纳入两套理论中，一套是广义相对论，一套是量子力学。
这两套理论已经经过大量的实验检验，手心手背都是肉，任何一个物理学家都不敢轻言放弃其中之一。任何一个读者也应该保持同样的谨慎态度，因为GPS定位（应用了广义相对论）和激光笔（应用了量子力学）都是生活中不可或缺的东西。
另一方面，广义相对论和量子力学也不可能像政治实践那样，搞“一个世界，各自表述”。尽管矛盾重重，但它们必须统一。
我们来做一个简单的推理。量子力学描述微观世界，并认为在越微小的空间中，能量的不确定性越大。在原子的尺度上，这种能量的不确定性并不产生明显的引力。但在极为微小的普朗克尺度上，能量的不确定性可能产生极其强大的引力，自发形成微型黑洞。所以，量子力学不会独善其身，在更基本的层面上，它必须跟广义相对论结合，变成理论物理学家梦寐以求的大统一理论。
4
霍金承认赌输了
2004年时，霍金承认自己赌输了，并如约赔上赢家普雷斯基尔一本《板球百科全书》。
这是因为霍金从理论物理学家马尔达希纳的研究中学到了一种新的方法（AdS/CFT对偶）。利用这种方法，他可以把描述某种黑洞的方程转化成一种特殊的量子力学方程。我们说过，任何一种已知的物理方程都不会破坏信息。所以，这就间接证黑洞也不会破坏信息。
这个间接证明看起来十分令人信服，因为AdS/CFT对偶是大统一理论的候选者超弦理论的一个副产物。而且，经这种方法得到的结果也在大型强子对撞机中得到了初步检验。
可是，在萨斯坎德看来，黑洞不破坏信息会引发更大的难题。如果信息不丢失，落入黑洞的粒子就可能在黑洞附近点燃一面炙热的火墙。当《星际穿越》的主角库珀穿过黑洞时，他自己觉得一切如常，可是远方的布兰达却会认为库珀被火墙烧死了。这个糟糕的矛盾就连电影编剧都不会接受。
虽然霍金承认赌输了，但是赌局远没有结束。
5
屡出奇招
2014年初，网络媒体爆出一条惊人的消息，“霍金认为黑洞不存在”。这实际上是霍金为了解决信息丢失悖论而提出的一个设想。
霍金在一篇论文中表述，他无法接受火墙的存在，因为火墙违反了物理学中另一个基本定理。为了调和各方矛盾，霍金忍痛将黑洞的定义做了修改。在他看来，物质落入黑洞，并非“永远”无法逃出来，而是“暂时”无法逃出来(即黑洞的事件视界不存在，只存在表观视界)。只不过“暂时”可以是几万亿年，对人类而言跟永远没有本质区别。
黑洞的定义本来就是物质永远无法逃出来，既然连永远二字都可以改，那么媒体说“霍金认为黑洞不存在”并没有犯法律事实的错误。
霍金这篇论文的题目叫“黑洞的信息保存和天气预报”，意思是说，信息虽然保存了下来，但是变得十分混乱，就像地球上的天气预报一样无法做到绝对准确。
在上个月的月末，霍金和三十多位世界知名理论物理学家一同来到瑞典皇家理工学院，召开了一场为期一周的“霍金辐射研讨会”。霍金在25日发表了一篇题为“信息悖论”的演讲。
霍金在演讲中说，2015年4月的时候，他听了理论物理学家斯特罗明格一场演讲。那场演讲的主题是另一种特殊的数学物理方法，叫做超平移。实际上，这种方法早在霍金辐射提出以前，就由三个物理学家提出来了。
霍金认为，黑洞会把粒子的信息保存在黑洞表面的超平移上。在未来的某个时刻，这些信息又会被霍金辐射吐出来，不过会变得十分混乱，无法读取。虽然从实践层面讲，信息没丢失跟丢失了没什么区别，但好歹概率守恒了，火墙不用燃烧了，黑洞定义不用改了，广义相对论和量子力学的矛盾也暂时缓和了。
这个结果听起来十分美妙。可惜到目前为止，霍金只是在研讨会上发表了一场演讲，并没有发表论文。如此重要的研究为什么不像上次那样发表论文呢？这让爱恨难分的人们又增添了一分欣喜，一分担忧。
页:
[1]