参考消息网11月20日报道 据英国《新科学家》周刊网站10月21日报道，1974年3月，斯蒂芬·霍金发表了使他成名的论文。它揭示了黑洞——任何东西，甚至光，都无法逃脱的引力巨人——不会一直增长直至时间尽头，而是会在释放粒子的过程中缓慢缩小，这种现象现在被称为霍金辐射。
其含义令人费解。霍金的计算表明，辐射应该是随机的，因而无法预测会出现什么类型的粒子。问题是任何落入黑洞的东西都包含信息——它的粒子组成、粒子结构和量子态，如果释放出来的东西是随机的，那么一旦物体被吸进去，这些信息就永远消失了。但是物理学的运作原理是，如果我们知道一个系统的所有信息，我们就可以重建它的过去并预测它的未来。
黑洞真能做到不可能的事，摧毁任何被吸入的东西吗？这一设想被称为黑洞信息悖论。该问题已经困扰物理学家几十年，不仅因为它突出了爱因斯坦引力理论（广义相对论）和量子理论之间的深刻脱节，还因为它为两者的和解提供了希望。
如今，在诞生50年后，这一悖论差不多要解决了。然而，物理学家并没有像人们所想的那样举杯庆祝，因为他们的解决方案并没有给出探寻已久的量子引力理论。在许多方面，它甚至为黑洞内部情形以及宇宙最基本层面的运作规律增添了一丝神秘。
黑洞信息悖论是两个看似无可争议的事实之间的冲突。第一个源于量子力学，它描述了原子和亚原子粒子的运作。它说所有的过程都关乎物理学家口中的酉（幺正），这意味着如果当下拥有关于系统的所有信息，就应该能够计算出它过去的所有性质。美国普林斯顿高级研究所的胡安·马尔达塞纳说：“如果有一杯水，往里面滴点墨水，片刻之后，这杯水看起来颜色均匀了。但如果你能够跟踪系统中的所有分子，从原则上讲，你是可以找到墨水滴入的那一点的，因为信息都被保留下来了。”
英国萨塞克斯大学的格扎维埃·卡尔梅特说：“这是量子物理学的重要原则之一，即能够倒带。如果有东西违背了这一原则，那么这一理论就会崩塌，就必须被摒弃。”
然而，抛弃量子力学并不可行，因为它经受住了物理学家的每一次考验。我们也不能抛弃热力学，它涉及功和能，并遵循统一性的类似规则。如果黑洞像霍金计算的那样会破坏信息，那么物理学中被检测最为彻底的两个领域就一定有问题。但几十年来，物理学家都无法证明霍金的计算有误。
这就引出了第二个显然无可争议的事实：半经典理论（广义相对论和量子力学完美结合）描述了黑洞边缘发生的事情。
霍金最初的计算是基于半经典的假设。慢慢的，也是必然的，他的工作开始出现问题。2004年，霍金本人意识到，当黑洞完全蒸发时，其在时空中留下的信息量应等同于它形成时的信息量，无论在此期间有多少信息掉进黑洞。霍金在2004年的一次新闻发布会上说：“如果你跳进一个黑洞，你的质能将以一种扭曲的形式返回到我们的宇宙，其中包括你之前样子的信息，但是以一种无法辨认的状态。”他承认，这表明单靠半经典物理学不足以解释黑洞。但他的研究也没有说出什么所以然。
随着研究人员开始探究量子引力论可能的样子，物理学家开始考虑量子效应会如何修正霍金辐射，于是乎，走出这一悖论的途径出现了。卡尔梅特说：“要解决这个悖论，你必须接受一切都是量子的，不仅仅是微小的粒子，还包括行星、黑洞和宇宙。如果你认为黑洞是经典的，那你就会感到困惑。”
他表示，量子黑洞与经典黑洞的区别之一在于其对周围时空的影响。经典的黑洞时空是完美的球形。鉴于极强的引力，黑洞本身应该是完美的球形。然而量子涨落意味着，量子黑洞应该以一种轻微不均匀的方式弯曲时空——而这种不对称可以存储信息。
2023年，卡尔梅特及其同事计算出这种轻微的时空不对称会影响霍金辐射，因此它并非是完全随机的。卡尔梅特说：“即使黑洞完全蒸发，这些信息仍然存在于辐射和时空中。这些影响相当微小，但也足够了。”释放出来的信息将在广袤的时空中稀疏地分布，这就是为什么它很难通过数学计算来寻找。
美国加利福尼亚大学伯克利分校的拉斐尔·布索和杰夫·佩宁顿在2023年底也有类似的发现。霍金辐射是黑洞边缘产生成对粒子的结果，其中一个落入黑洞，另一个向外辐射。这些成对的粒子通过量子纠缠连接在一起，在这种现象中，每个粒子的测量属性都依赖于另一个粒子的属性。
如果能够测量逃逸的粒子，就有可能得知其处于黑洞中伙伴的属性信息。这可能会产生黑洞内部信息的“纠缠岛”，从黑洞边缘向外延伸。研究人员认为，这些岛（或许描述为半岛更准确些）从黑洞中伸出来的长度比我们所能测量到的任何东西都要小，这就使得它们实际上不存在。但布索和佩宁顿发现，它们可以伸出一个原子的宽度，再次扭曲时空，让信息流出。
当然，它们并没有伸出多远，但从原则上讲是可以测量的。对于黑洞悖论而言，重要的是这些信息在理论上是可以获取的，并非遥不可及。（编译/文怡）
发表评论