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黑洞的霍金輻射與信息論第壹定律中的信息守恒

2004年7月21日,在愛爾蘭都柏林舉行的“17廣義相對論與引力國際會議”上,英國傳奇科學家斯蒂芬·霍金教授公布了他對宇宙黑洞的最新研究成果。霍金的態度發生了180度的大轉彎,說明他原來的觀點是錯誤的。信息應該是守恒的:黑洞不可能像他和其他大多數物理學家以前認為的那樣“完全吞噬”它周圍的壹切。事實上,被吸進黑洞深處的物質的壹些信息實際上可能在某個時候被釋放出來:信息守恒。

黑洞不是死星,它有豐富的內涵。黑洞的霍金輻射理論表明,黑洞不僅具有壹般的力學性質,還具有量子和熱學性質。如果黑洞的輻射譜是嚴格的黑體譜,那麽在黑洞輻射過程中信息就會丟失。帕裏克和威爾切克認為,黑洞的霍金輻射確實可以看作是壹種量子效應,但輻射粒子穿透的勢壘並不是預先存在的,而是由外向粒子本身產生的。他們的研究結果支持信息守恒。

原因是黑洞太理想化了,黑洞的熱輻射也太理想化了。然而,霍金從未給出嚴格的證明來支持他的新觀點。索恩說這件事不能由霍金壹個人決定,他仍然堅持信息不守恒的觀點。普雷斯基說,他看不懂霍金的演講,不明白他為什麽會贏。目前,這個涉及量子理論基礎的敏感問題還遠未解決。

黑洞理論的研究已經超越了黑洞本身。不僅觸及了量子理論的重要基石——幺正,也開啟了探索時間本質的新篇章。

黑洞內部有壹個奇點,是時間終結的地方。大爆炸宇宙有壹個初始奇點,這是時間開始的地方。彭羅斯和霍金曾經證明了壹個“奇點定理”,這個定理說明了任何真實的時空都必然存在奇點,也就是說,時間必然存在壹個有開始或有結束的過程。時間有始有終,原本是哲學家和神學家討論的話題。現在,在研究了黑洞和宇宙之後,這個話題又被帶入了物理領域。

宇宙學家認為,太空中有許多類型的黑洞,從質量相當於壹座山的小型黑洞到星系中心的超級黑洞。以前科學家認為,壹旦掉進去了,就逃不掉了,連光都無法“存活”。霍金教授對黑洞的最新研究可能會打破這個結論。經過長時間的研究,他發現被黑洞吞噬的壹些物質隨著時間的推移慢慢從黑洞中“流出”。

霍金關於黑洞的新理論解決了壹個關於黑洞信息的似是而非的觀點,他在劍橋大學的同事們都為此興奮不已。在過去,黑洞壹直被認為是壹種純粹的破壞力,但現在最新的研究表明,黑洞可能在星系的形成中扮演著重要的角色。1976年,霍金聲稱自己通過計算得出了結論。他認為,在黑洞形成過程中,其質量減小,並以能量的形式繼續向外界輻射。這就是著名的“霍金輻射”理論。然而,理論中提到的黑洞輻射並不包含任何關於黑洞內部物質的信息。壹旦黑洞濃縮蒸發,裏面的信息全部消失。這就是所謂的“黑洞悖論”。

這個說法和量子力學的相關理論有矛盾。因為現代量子物理認為這種物質信息永遠不會完全消失。在過去的30年裏,霍金試圖用各種猜測來解釋這種矛盾的觀點。霍金曾經說過,黑洞中的量子運動是壹個特例。因為黑洞中的引力很強,此時量子力學不再適用。然而,霍金的說法並沒有得到科學界許多持懷疑態度的學者的信服。

現在,霍金終於對這種矛盾的觀點給出了更有說服力的答案。霍金說黑洞從來不會完全關閉自己。它們逐漸向外界輻射越來越多的熱量並持續很長壹段時間,然後黑洞最終會把自己打開,釋放出其中包含的物質信息。

新成就

這項重要的研究成果雖然沒有以論文的形式發表,但卻在學術界引起了軒然大波。霍金在劍橋大學的同事、著名物理理論家馬爾科姆·佩裏(malcolm perry)博士說,“霍金在這次研討會上提出的想法可能是壹個可行的解決方案。但最終能不能得到認可,我覺得還是要由大家來決定。”不過,他認為霍金的最新研究成果將可與30年前發表的《霍金輻射》相媲美。

另壹位物理學家庫爾特·卡特勒(Kurt Cutler)在接受《新科學家》(New Scientist)雜誌采訪時表示:“霍金發來壹條信息,他似乎在說,‘我已經解決了黑洞理論中的矛盾,我想對它表達壹些新的觀點’。但作為這些信息的接收方,我們事先並沒有看到任何相關的書面說明。作為對霍金本人的尊重,按照他的名聲,我暫時只能接受這種說法。”科學家們都期待著霍金教授在明天的學術會議上對他的新成就作出完整的解釋。對於霍金教授的黑洞新理論,我國黑洞專家、北師大教授趙征認為,霍金關於黑洞的最新研究成果只是來自媒體,學術論文尚未發表,因此這壹新理論還有待證實。專家指出,霍金的“黑洞熱輻射”理論是20世紀70年代最傑出的理論物理成就之壹,但當時該理論的壹些觀點受到量子物理學家的質疑,他們認為被黑洞“吞噬”的物質的信息最終會隨著黑洞消失,這從量子物理的角度無法解釋。為此,學術界爭論了30年。這壹次,霍金提出了壹個新的想法——黑洞會在某壹時刻釋放它所吞噬的信息,表面上彌補了他之前理論的缺陷,但這並不足以證實這個理論是正確的。趙教授解釋說,物質所包含的信息不像質量或能量那樣守恒,所以霍金之前的信息消失理論並非完全不能接受。

從20世紀60年代到80年代,對黑洞的研究取得了很大進展。起初,人們認為黑洞是壹顆死星,所有的東西都可以掉進去了,但是沒有任何東西可以逃脫。霍金在1974證明了黑洞是有溫度和輻射的。霍金輻射的發現讓黑洞和霍金本人家喻戶曉。

80年代以後,黑洞研究的重點逐漸從溫度轉移到信息佯謬。人們早就知道,黑洞外的觀察者會失去幾乎所有關於形成黑洞以及後來落入黑洞的物質的信息。這就是無毛定理。所謂“毛”,就是指“信息”。黑洞裏只剩下總質量、總電荷和總角動量三根“頭發”,外界可以探測到。起初,人們認為雖然外部觀測者無法探測到黑洞內部物質的信息,但這些信息並沒有從宇宙中消失,而是隱藏在黑洞內部。霍金輻射發現後,人們知道黑洞中的所有物質最終都會轉化為熱輻射,而熱輻射幾乎帶不出任何信息。這樣,形成並落入黑洞的物質的信息將從宇宙中消失,信息不再守恒。不僅重子數守恒定律和輕子數守恒定律不再成立,量子理論的幺正性質也將被破壞。面對如此嚴重的理論困難,物理學家們展開了激烈的爭論。大多數理論物理學家相信信息守恒,堅信量子理論的基石即幺正不會被摧毀。總之,信息應該被保存。霍金、索恩等相對論專家認為信息不壹定守恒,所以完全有可能破壞奇點。為此,霍金和索恩與堅信信息守恒的普雷斯基打賭。

“這個理論從誕生之日起就陷入了困境:它與許多科學家堅持的‘信息守恒定律’相矛盾。這曾被稱為“黑洞悖論”。

就像19世紀的科學家總結出能量守恒定律壹樣,20世紀的許多科學家提出了信息守恒理論——如果這種說法成立,那麽信息守恒定律無疑將成為科學界最重要的定律,或許比物質能量守恒定律更為深遠。霍金的黑洞理論引起的激烈爭議是“信息”能否在黑洞中得以保存和守恒。