宇航员掉入黑洞会怎样？他的答案让霍金认错

正文

请到「今天看啥」查看全文

加利福尼亚大学伯克利分校的弦论物理学家拉斐尔·布索（Raphael Bousso）在此次大会的报告中这样开场：火墙的观点“动摇了大多数人相信的黑洞理论基础。它从根本上指出，量子力学和广义相对论的矛盾，却没有为我们指出下一步该往哪个方向走”。

霍金的赌局

火墙危机的起源可以追溯到1974年。当时，英国剑桥大学的物理学家霍金证实，量子效应能够使黑洞具有温度。即使与外界完全隔离，黑洞也会缓慢地发出热辐射——即光子或某些粒子，并逐渐减少质量，直至完全蒸发（见图）。

当然，这些粒子并不能构成火墙，下落穿过视界的宇航员绝对注意不到这种辐射，这是因为相对论导致的差别相当微小。但霍金的结果仍然令人惊奇——尤其是广义相对论方程告诉我们，黑洞只会吞噬物质并不断增长，而不会蒸发。

霍金的结论基本说明，量子力学世界中的“真空”不空，可通过观测验证。在量子世界的微观尺度上，世界是永恒混乱的，粒子及相应的反粒子总是不断地产生、重新结合并湮灭消失。只有在非常精细的实验中，这种微观尺度上的混乱现象才有可观测的效应。霍金注意到，当一个粒子－反粒子对正好在黑洞视界表面产生，一个粒子会在重新结合前落入黑洞视界，剩下的粒子会作为辐射向外运动。被吞噬的粒子携带负能量——这是量子理论所允许的，正好平衡辐射所带走的正能量。粒子的负能量会从黑洞质量扣除，导致黑洞缩小。

霍金最初的这些分析，后来得到许多研究者的完善和扩展，他的结论也被广泛接受。但同时，令人困惑的黑洞辐射与量子理论之间的矛盾也逐渐浮出水面。

量子力学认为信息不会被破坏。原则上讲，通过测量辐射粒子的量子态，有可能得到落进黑洞的物体的一切信息。但是，霍金证明事实远非如此简单：逃逸出来的辐射是随机的。无论扔进一千克的石块或一千克的电脑芯片，结果是一样的。即使一直观察到黑洞灭亡，我们也无法知道黑洞是如何形成的，以及掉进黑洞的物体是什么。

这个被称为黑洞信息悖论的问题，把物理学家分成两个阵营。一类像霍金，认为黑洞死亡时所有信息会真的消失。如果这违反了量子理论原理，就需要找到更好的理论。另一类，则像美国加州理工学院的量子物理学家约翰·普雷斯基尔（John Preskill）一样，为量子力学所困。“我曾努力尝试建立一套包括信息损失的理论，”他说，“但是我无法找到一套有一丁点意义的理论——没有人可以做到这一点。”僵局持续了20年，直到1997年一个著名的猜想被提出。当时普雷斯基尔正与霍金打赌信息不会减少，输了的人要为对方购买一套对方指定的百科全书。

请到「今天看啥」查看全文