黑洞信息悖論：霍金最大難題，至今仍未解決

【博科園-科學科普】隨著斯蒂芬·霍金的去世，科學不僅失去了最知名的公眾人物，而且也失去了一個研究黑洞本質的傑出研究者。

圖為英國物理學家與宇宙學家：史蒂芬·霍金（1942—2018）

雖然霍金最後一篇論文可能更多地側重於當今宇宙學所面臨的一些挑戰，但他最偉大的科學貢獻（如霍金輻射）在於通過研究宇宙中最極端的物體（黑洞），揭示了宇宙中一些不可思議的量子事實。

圖註：在黑洞事件視界之外，廣義相對論和量子場論對於理解發生的物理現象是完全足夠的，這就是霍金輻射。但即使是這兩者的結合，也會導致尚未解決的信息悖論。圖片版權：NASA

黑洞一度被認為是靜止的、不變的、僅由其質量，電荷和旋轉來定義黑洞，通過轉化為具有溫度，發射輻射並且隨著時間推移最終蒸發。然而這已被接受的科學結論——推斷霍金輻射的存在和性質，黑洞提供了一種破壞宇宙信息的方式。儘管世界上最聰明的人已經花了40多年時間來解決這個問題，但黑洞信息悖論仍然沒有得到解決。

圖註：當一個物體被黑洞吞噬時，物質所具有熵的大小取決於物理特性。但是在黑洞內部只有質量、電荷和角動量等特性是重要的。如果熱力學第二定律必須保持真實正確，這將會是很大的難題。圖片信息及版權：NASA/CXC/M.Weiss; X-ray (top): NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al. (L); Optical: ESO/MPE/S.Komossa (R)

熱力學第二定律是宇宙中最不可違背的法則之一：取任何你所喜歡的系統，不要讓任何東西進入或離開，系統的熵不會自發地減少。雞蛋不會自發地破開自己，溫暖的水永遠不會分離成熱的和冷的部分，灰燼不會重新組合成它們被燒毀前的物體的形狀。所有這些都是減少熵的一個例子，而這本質上不會發生。

熵可以保持不變，在大多數情況下會增加，但熵永遠不會回到低熵狀態。事實上人為地減少熵的唯一方法就是將能量注入到一個系統中，「欺騙」第二定律是通過增加系統外部的熵來增加系統內的熵(打掃房子就是一個例子)，簡而言之，熵永遠不會被破壞。

圖註：黑洞質量是事件視界半徑的唯一決定因素，對於非旋轉的孤立黑洞而言。在很長一段時間裡，人們認為黑洞是宇宙時空中的靜止物體。圖片信息及版權：SXS team; Bohn et al 2015

對於黑洞長期以來的想法是：熵為零，但這是不對的。如果讓黑洞產生非零的熵，然後把這些物質扔進黑洞，熵就會上升或者保持不變，但永遠不會下降。黑洞熵的概念可以追溯到約翰·惠勒，他當時正思考一個物體在從事件視界外的觀察者角度進入黑洞時會發生什麼？從遠處看，有些人會漸漸接近事件視界，由於引力紅移而變得更紅、並在無限長的時間內到達視界，因為相對論時間膨脹開始生效。因此從任何「掉落」的信息看來，信息似乎都被編碼在黑洞本身的表面積上。

圖註：在黑洞表面編碼的信息可以是比特信息，與事件視界的表面積成比例。圖片信息及版權：T.B. Bakker / Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam

由於黑洞質量決定了事件視界的大小，因此這為黑洞的熵提供了一個自然的位置：事件視界的表面區域突然間產生了巨大的熵，基於量子比特的數量可以被編碼在一個特定大小的事件視界上。但是任何有熵的東西都有溫度，這意味著它是輻射的。正如霍金所證明的：黑洞會釋放出特定(黑體)光譜和溫度的輻射，這是由黑洞的質量所決定的（即霍金輻射）。

隨著時間的推移，能量的釋放意味著黑洞正在失去質量（愛因斯坦著名的E = mc^2（質能方程）），如果能量被釋放，它必須來自某個地方，而「某處」必定是黑洞本身。隨著時間的推移，黑洞將會越來越快地失去質量，直到遙遠的未來，黑洞會完全蒸發。

圖註：在一個永恆黑暗的背景下，將會出現一道光芒：宇宙中最一個黑洞的蒸發。圖片信息及版權：ortega-pictures / pixabay

這是一個偉大的故事，但有一個問題：黑洞發出的輻射是純黑體，也就是說它具有相同的性質，就像取一個完全黑的物體，然後把它加熱到一個特定的溫度。因此對於特定質量的所有黑洞，輻射是完全相同的——而這是最重要的：不管信息是什麼或沒有在事件視界上留下印記，根據熱力學定律，這是不可能的！這相當於摧毀信息。

圖註：任何燃燒的東西似乎都會被摧毀，但如果能追蹤從火中出來的一切，理論上所有關於未燃燒狀態前的東西都是可以恢復。

如果你燃燒兩本大小相同的書但有不同的內容，可能實際上無法重建任何一本書的文字，紙張上的墨水圖案，分子結構的變化以及其他微小差異都包含信息，並且該信息仍然編碼在煙霧，灰，周圍空氣和所有其他正在傳播的粒子。如果能夠以任意精確的方式監控書籍周圍的環境並包括書本，就能夠重新構建你想要的所有信息，信息會混亂，但不會丟失。然而黑洞信息悖論是：在黑洞視界上留下的所有信息一旦蒸發，在我們可觀測宇宙（即哈勃體積直徑約1000億光年）中不會留下任何痕迹（故不能被重建）。

圖註：黑洞模擬衰變不僅會導致輻射的釋放，而且會使大多數物體保持穩定的中央軌道質量衰減。黑洞不是靜態的物體，而是隨時間變化的。然而不同材料形成的黑洞在其視界上應該有不同的信息編碼。圖片信息及版權：EU"s Communicate Science

這種信息丟失應該被量子力學的規則所限制，任何系統都可以用量子波函數來描述，每個波函數都是唯一的。如果在時間上發展量子系統，兩種不同的系統不可能達到相同的最終狀態，但這正是信息悖論所暗示的。據目前所知，有兩件事必須發生：

1、當黑洞蒸發時，任何信息都會以某種方式被破壞，告訴我們有關於黑洞蒸發的新規則和規律

2、或者釋放出的輻射包含了這些信息、這意味著霍金輻射比我們迄今為止所做的計算還要多。

這個悖論在它第一次被發現到限制40多年後的今天仍然沒有得到解決。

圖註：貫穿整個空間的量子漲落的例證。如果這些波動是由黑洞產生的，那麼在黑洞中發出的霍金輻射，就有可能被保存在一個事件視界上。圖片信息及版權：NASA/CXC/M.Weis

雖然霍金的原始計算表明：通過霍金輻射蒸發會破壞黑洞事件視界上的任何信息，但現代認為必須在出輻射中編碼這些信息。許多物理學家喜歡全息原理，指出編碼在黑洞表面上的信息對純粹熱霍金輻射狀態進行量子校正，當黑洞蒸發掉並且事件視界縮小時，將其自身特徵印在輻射上。儘管霍金，約翰普雷斯基爾，基普索恩，傑拉德霍夫特和倫納德蘇斯金德在這個問題上下了賭注並宣布勝利和失敗，但這個悖論仍然非常活躍熱熱門並且沒有解決。

圖註：黑洞事件視界是一個球形或球形區域，從中不會有任何物體甚至光也不能逃脫。但在事件視界之外，黑洞被預測會發出輻射。1974年霍金是第一個證明這一點的人。圖片信息及版權：NASA; Jrn Wilms (Tübingen) et al.; ESA

儘管科學家盡了最大的努力，但目前是仍然不了解信息是否在輻射能量（和質量）時從黑洞中「泄漏」出來。如果黑洞泄露了信息，目前還不清楚這些信息是如何泄漏出去的。也許這就是人們希望在科學中實現的最偉大的遺產：發現一個如此複雜的新問題，以至於需要多代人才能達成解決方案。在這種特殊情況下，大多數人都認同解決方案應該是什麼樣子，但是沒有人知道如何實現。直到解決之前，黑洞信息悖論仍然是霍金與世界分享無與倫比神秘禮物的另一部分。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Forbes Science

編譯：公子世無雙

審校：博科園

解答：知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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