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    黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

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      【博科园-科学科普】随着斯蒂芬·霍金的去世,科学不仅失去了最知名的公众人物,而且也失去了一个研究黑洞本质的杰出研究者。

      黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

      图为英国物理学家与宇宙学家:史蒂芬·霍金(1942—2018)

      虽然霍金最后一篇论文可能更多地侧重于当今宇宙学所面临的一些挑战,但他最伟大的科学贡献(如霍金辐射)在于通过研究宇宙中最极端的物体(黑洞),揭示了宇宙中一些不可思议的量子事实。

      黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

      图注:在黑洞事件视界之外,广义相对论和量子场论对于理解发生的物理现象是完全足够的,这就是霍金辐射。但即使是这两者的结合,也会导致尚未解决的信息悖论。图片版权:NASA

      黑洞一度被认为是静止的、不变的、仅由其质量,电荷和旋转来定义黑洞,通过转化为具有温度,发射辐射并且随着时间推移最终蒸发。然而这已被接受的科学结论——推断霍金辐射的存在和性质,黑洞提供了一种破坏宇宙信息的方式。尽管世界上最聪明的人已经花了40多年时间来解决这个问题,但黑洞信息悖论仍然没有得到解决。

      黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

      图注:当一个物体被黑洞吞噬时,物质所具有熵的大小取决于物理特性。但是在黑洞内部只有质量、电荷和角动量等特性是重要的。如果热力学第二定律必须保持真实正确,这将会是很大的难题。图片信息及版权:NASA/CXC/M.Weiss; X-ray (top): NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al. (L); Optical: ESO/MPE/S.Komossa (R)

      热力学第二定律是宇宙中最不可违背的法则之一:取任何你所喜欢的系统,不要让任何东西进入或离开,系统的熵不会自发地减少。鸡蛋不会自发地破开自己,温暖的水永远不会分离成热的和冷的部分,灰烬不会重新组合成它们被烧毁前的物体的形状。所有这些都是减少熵的一个例子,而这本质上不会发生。

      熵可以保持不变,在大多数情况下会增加,但熵永远不会回到低熵状态。事实上人为地减少熵的唯一方法就是将能量注入到一个系统中,“欺骗”第二定律是通过增加系统外部的熵来增加系统内的熵(打扫房子就是一个例子),简而言之,熵永远不会被破坏。

      黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

      图注:黑洞质量是事件视界半径的唯一决定因素,对于非旋转的孤立黑洞而言。在很长一段时间里,人们认为黑洞是宇宙时空中的静止物体。图片信息及版权:SXS team; Bohn et al 2015

      对于黑洞长期以来的想法是:熵为零,但这是不对的。如果让黑洞产生非零的熵,然后把这些物质扔进黑洞,熵就会上升或者保持不变,但永远不会下降。黑洞熵的概念可以追溯到约翰·惠勒,他当时正思考一个物体在从事件视界外的观察者角度进入黑洞时会发生什么?从远处看,有些人会渐渐接近事件视界,由于引力红移而变得更红、并在无限长的时间内到达视界,因为相对论时间膨胀开始生效。因此从任何“掉落”的信息看来,信息似乎都被编码在黑洞本身的表面积上。

      黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

      图注:在黑洞表面编码的信息可以是比特信息,与事件视界的表面积成比例。图片信息及版权:T.B. Bakker / Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam

      由于黑洞质量决定了事件视界的大小,因此这为黑洞的熵提供了一个自然的位置:事件视界的表面区域突然间产生了巨大的熵,基于量子比特的数量可以被编码在一个特定大小的事件视界上。但是任何有熵的东西都有温度,这意味着它是辐射的。正如霍金所证明的:黑洞会释放出特定(黑体)光谱和温度的辐射,这是由黑洞的质量所决定的(即霍金辐射)。

      随着时间的推移,能量的释放意味着黑洞正在失去质量(爱因斯坦着名的E = mc^2(质能方程)),如果能量被释放,它必须来自某个地方,而“某处”必定是黑洞本身。随着时间的推移,黑洞将会越来越快地失去质量,直到遥远的未来,黑洞会完全蒸发。

      黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

      图注:在一个永恒黑暗的背景下,将会出现一道光芒:宇宙中最一个黑洞的蒸发。图片信息及版权:ortega-pictures / pixabay

      这是一个伟大的故事,但有一个问题:黑洞发出的辐射是纯黑体,也就是说它具有相同的性质,就像取一个完全黑的物体,然后把它加热到一个特定的温度。因此对于特定质量的所有黑洞,辐射是完全相同的——而这是最重要的:不管信息是什么或没有在事件视界上留下印记,根据热力学定律,这是不可能的!这相当于摧毁信息。

      黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

      图注:任何燃烧的东西似乎都会被摧毁,但如果能追踪从火中出来的一切,理论上所有关于未燃烧状态前的东西都是可以恢复。

      如果你燃烧两本大小相同的书但有不同的内容,可能实际上无法重建任何一本书的文字,纸张上的墨水图案,分子结构的变化以及其他微小差异都包含信息,并且该信息仍然编码在烟雾,灰,周围空气和所有其他正在传播的粒子。如果能够以任意精确的方式监控书籍周围的环境并包括书本,就能够重新构建你想要的所有信息,信息会混乱,但不会丢失。然而黑洞信息悖论是:在黑洞视界上留下的所有信息一旦蒸发,在我们可观测宇宙(即哈勃体积直径约1000亿光年)中不会留下任何痕迹(故不能被重建)。

      黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

      图注:黑洞模拟衰变不仅会导致辐射的释放,而且会使大多数物体保持稳定的中央轨道质量衰减。黑洞不是静态的物体,而是随时间变化的。然而不同材料形成的黑洞在其视界上应该有不同的信息编码。图片信息及版权:EU's Communicate Science

      这种信息丢失应该被量子力学的规则所限制,任何系统都可以用量子波函数来描述,每个波函数都是唯一的。如果在时间上发展量子系统,两种不同的系统不可能达到相同的最终状态,但这正是信息悖论所暗示的。据目前所知,有两件事必须发生:

      1、当黑洞蒸发时,任何信息都会以某种方式被破坏,告诉我们有关于黑洞蒸发的新规则和规律

      2、或者释放出的辐射包含了这些信息、这意味着霍金辐射比我们迄今为止所做的计算还要多。

      这个悖论在它第一次被发现到限制40多年后的今天仍然没有得到解决。

      黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

      图注:贯穿整个空间的量子涨落的例证。如果这些波动是由黑洞产生的,那么在黑洞中发出的霍金辐射,就有可能被保存在一个事件视界上。图片信息及版权:NASA/CXC/M.Weis

      虽然霍金的原始计算表明:通过霍金辐射蒸发会破坏黑洞事件视界上的任何信息,但现代认为必须在出辐射中编码这些信息。许多物理学家喜欢全息原理,指出编码在黑洞表面上的信息对纯粹热霍金辐射状态进行量子校正,当黑洞蒸发掉并且事件视界缩小时,将其自身特征印在辐射上。尽管霍金,约翰普雷斯基尔,基普索恩,杰拉德霍夫特和伦纳德苏斯金德在这个问题上下了赌注并宣布胜利和失败,但这个悖论仍然非常活跃热热门并且没有解决。

      黑洞信息悖论:霍金最大难题,至今仍未解决

      图注:黑洞事件视界是一个球形或球形区域,从中不会有任何物体甚至光也不能逃脱。但在事件视界之外,黑洞被预测会发出辐射。1974年霍金是第一个证明这一点的人。图片信息及版权:NASA; Jrn Wilms (Tübingen) et al.; ESA

      尽管科学家尽了最大的努力,但目前是仍然不了解信息是否在辐射能量(和质量)时从黑洞中“泄漏”出来。如果黑洞泄露了信息,目前还不清楚这些信息是如何泄漏出去的。也许这就是人们希望在科学中实现的最伟大的遗产:发现一个如此复杂的新问题,以至于需要多代人才能达成解决方案。在这种特殊情况下,大多数人都认同解决方案应该是什么样子,但是没有人知道如何实现。直到解决之前,黑洞信息悖论仍然是霍金与世界分享无与伦比神秘礼物的另一部分。

      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

      • 内容:经“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:Forbes Science

      • 编译:公子世无双

      • 审校:博科园

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