信息丢进黑洞后会怎么样？

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信息丢进黑洞后会怎么样？

- [3 s: d& h; }- a2 I( c" q. I（本文由 Nautilus 授权转载，撰文／Ron Cowen）弦理论学家维杰·巴拉苏珀马尼亚（Vijay Balasubramanian）的对手是宇宙的垃圾桶——黑洞。他在美国宾夕法尼亚大学和纽约城市大学研究生院的研究都在探寻：丢进黑洞里不见的信息最终去哪儿了。当然，这只是巴拉苏珀马尼亚的众多课题之一，他的研究兴趣之广，令人震惊。同样广泛的，还有信息丢进黑洞这个问题的理论基础，从时空的架构到人脑对“方位感”的认知都有涉及。在下面《鹦鹉螺》杂志的访谈中，巴拉苏珀马尼亚揭示了，为何黑洞并不是想象中那样，会把无穷尽的信息都吞噬下去。

信息丢进黑洞后会怎么样？

绘图：FRANCESCO IZZO
& ?4 T: N3 h! w3 `' \- Q黑洞是什么？
4 R! E  ~% K& ]9 y如果在一小块空间里聚集了足够多的质量，那么时空就会弯曲，任何东西都无法从这个空间里逃逸出来。1915年卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）在解开爱因斯坦的广义相对论方程时最先发现了可能会出现这种情况。当你处在黑洞里，无论朝哪个方向使劲加速，最终都将指向黑洞的奇点，在那里空间无限包裹，体积消失了。 那么这意味着黑洞是终极的垃圾桶吗？ 在经典牛顿物理学当中，是的。在爱因斯坦方程的描述中，一旦你进入黑洞就永远也出不来了。但是，在奇点那里，引力将变得无穷大，经典物理学的引力理论就崩坏了。
0 e3 V* l& k2 p$ w这时候就轮到量子物理学理论上场了？
在上世纪70年代以前，物理学家一直认为量子物理机制只会在接近奇点时才会生效。但那时候，理论物理学家雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）证明了黑洞带有熵，其大小与黑洞的视界面积成正比。视界即黑洞的边界。差不多在同一时间，史蒂芬·霍金写了一篇论文，提出黑洞也有辐射，就好像它们有温度会辐射那样。黑洞的辐射现在被人们称为霍金辐射。
黑洞的辐射是怎么来的呢？
在量子理论中，一对粒子和反粒子——比如电子和正电子——在宇宙中同时诞生和湮灭。在视界边缘，这两个粒子中的一个将掉入黑洞，另一个则流入宇宙中，最终呈现出来的结果（在引力的作用下）就好像黑洞也有了辐射。而因为辐射，黑洞就向宇宙中释放了能量，它自己的质量也在不断减少。最终，黑洞会彻底消失。大一些的黑洞，比如银河系中间那个，它消失所需的时间比宇宙年龄都还要久；小型黑洞则会短很多。但无论是大是小，这个垃圾桶里的东西都在往外面来。
说到底黑洞不是宇宙碎片的回收站了？
& G0 N: c, R1 P  y* {8 C其实，它们仍然是回收站。根据霍金的预想，黑洞的辐射完全是随机的——从黑洞里释放出的每一个光子都独立于另一粒子，因此完全谈不上信息可言。无论你把霍金辐射看得多仔细，你也看不出掉进黑洞里的都是些什么信息。因此信息确实都丢在里面了。
这会带来什么问题吗？
霍金承认黑洞的存在不可避免地会导致信息的丢失，但有很多人都不愿意接受这一点，因为这意味着放弃量子理论的一个核心公设——信息永远都在。放弃这一公设，我们就必须修改量子理论，而且改动的幅度还很大。而现在这个样子的量子理论运作得很好，它和爱因斯坦的相对论并称20世纪物理学的两个最伟大的发现。
有什么解决办法吗？
可能吧。量子理论描述了粒子的微观状态。广义相对论描述的则是宏观的时间和空间。或许当广义相对论和量子理论结合在一起，时空的亚原子量子力学将解决这个问题。万一亚原子状态的细节在爱因斯坦相对论宏观粗大的描述中没有照顾到呢。
在结合量子理论和相对论方面有什么进展吗？
; Y  S) d' j# W/ F7 S: o有的。其实鼓励这种矛盾还开启了物理学的新方法。在上世纪90年代，科学家用弦理论得出了一些惊人的发现。弦理论的目标就是统一量子论和引力说。科学家在数学上证明了三维宇宙空间里的一类只受引力作用的特殊黑洞，它等价于一个二维宇宙空间，里面没有引力，所有的粒子和场都遵循量子理论的原理。因为量子理论认为信息永不丢失，信息在二维的宇宙里就会一直存在。又因为两个宇宙的等价性，含有黑洞的三维宇宙空间也一定能保存信息。但具体机制如何目前还没有人知道。
你认为解决方法是什么？
有可能霍金辐射中还是把黑洞的信息编码进去了。 我和同事最近发表的一篇论文中，我们考虑了黑洞里面的另外一种量子状态。我们认为在不同的量子态中能量的分离极其微弱，要通过分析霍金辐射来判断黑洞的内容需要花上很多很多、接近无穷大的时间。 因此在这个意义上，黑洞可以说是一个很长很长时间的垃圾桶。对于一个质量像太阳那么大的黑洞来说，从里面取出信息的时间比我们当前宇宙的年龄还要长。从实际角度出发，这就可以算是永远了。不过最后的最后，在宇宙终结之前，黑洞还是会把它里面的东西倒出来，虽然内容已经完全打乱重排了。
Ron Cowen 是自由科学撰稿人，专长天文和物理。

信息丢进黑洞后会怎么样？

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        编译自：Infinite Garbage Can                        原创人员：撰文/ Ron Cown；绘图/ Francesco Izzo