落入黑洞的信息去哪里了？

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【黑洞信息悖论】

霍金辐射的量子来源。（E.Siegel）

在1974 - 1975年间，霍金计算了在黑洞周围的量子场实际上会辐射出粒子（“霍金辐射”）。辐射会使黑洞失去质量并且变得越来越小，直到黑洞完全蒸发殆尽。在图2中我们看到关于两层物质壳的信息被困在黑洞内，但是在图4中，黑洞则因为蒸发而消失了。那么，信息去哪了？如果它随着黑洞消失，那就违反了量子理论。

图4：（1）物质壳坍缩；（2）视界产生，霍金辐射（以光子或中微子或引力子的形式）在黑洞视界外辐射出去；（3）霍金辐射带走能量导致黑洞的大小和质量缩水；（4）黑洞最终会完全蒸发，只剩下霍金辐射。进入黑洞的信息也消失了，违反了量子理论。这是否意味着量子理论需要修正？

或许你会想，难道信息不会储存在霍金辐射中一起出来吗？问题就在于黑洞内的信息是不能跑出来的，因此唯一的可能就是霍金辐射里复制了进入黑洞的物体信息。这样就有两份信息，一份在黑洞外，一份在黑洞里面，不过这也违反了量子理论。

图5：或许信息储存在霍金辐射里？但是由于信息不可能从黑洞出来，所以它必须以某种方式复制到霍金辐射里。但这也违反了量子理论。

当然，一个最简单的答案是量子力学是不完备的，因此黑洞信息悖论就迫使我们去拓展该理论，就像爱因斯坦的相对论拓展了牛顿的运动定律一样。霍金在长达30年的时间内一直思考着这样的一种可能性。

【互补原理：拯救量子理论】

但是，有一些科学家则认为是广义相对论需要修正，而不是量子理论。1992年，有人提出了一个称作“ 互补原理 ”的理论来说明黑洞里面和外面的信息都没有违背量子理论（这个想法被Susskind等人继续发展）。具体来说，在黑洞外的观测者会观察到信息堆积在黑洞视界表面，接着随霍金辐射一起出来。而在黑洞里面的观测者会看到信息落入黑洞里面了。由于在黑洞外和内的观测者不能交流，因此也就不存在悖论（图6）。

图6：互补原理认为这取决于观测者的视角。在黑洞外的观测者看到信息储存在黑洞外 （2a），之后可能转换成霍金辐射（3a） 。而落入黑洞的观测者则会看到信息在里面。

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