作者 | Leah Crane
來源 | NewScientist
1974年,斯蒂芬·霍金提出了一個顛覆性的觀點:黑洞并非永恒存在,它們會通過一種名為“ 霍金輻射 ”的機(jī)制緩慢蒸發(fā)直至消失。這個發(fā)現(xiàn)帶來了一個巨大的難題——如果黑洞最終蒸發(fā)殆盡,那么落入黑洞的所有物質(zhì)所攜帶的信息去了哪里?根據(jù)量子力學(xué),信息是不可能被徹底摧毀的。這個矛盾就是著名的“ 黑洞信息悖論 ”。
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經(jīng)過半個世紀(jì)的研究,物理學(xué)家們?nèi)缃衿毡檎J(rèn)為,信息悖論在理論上已經(jīng)基本解決。然而,這個“解決方案”非但沒有帶來期待的突破,反而將我們引向了更深刻、更奇特的物理學(xué)謎團(tuán)。
悖論的核心
信息會消失嗎?
黑洞信息悖論的本質(zhì)是兩大物理學(xué)支柱的正面沖突。
首先,它規(guī)定信息必須守恒。就像你將一滴墨水滴入水中,雖然墨水看似均勻擴(kuò)散,但理論上如果你能追蹤每一個水分子和墨水分子,你完全可以逆向推演出墨水最初滴入的位置。信息只是被編碼得更復(fù)雜,并未丟失。
其次,基于當(dāng)時的半經(jīng)典理論,霍金證明霍金輻射是純粹隨機(jī)的熱輻射,不攜帶任何落入黑洞物質(zhì)的信息。這意味著黑洞一旦蒸發(fā),信息就永遠(yuǎn)消失了。
如果霍金是對的,那么量子力學(xué)的基石就將被動搖。但物理學(xué)家們無法接受拋棄量子力學(xué)的想法,因為它已經(jīng)在無數(shù)實驗中得到了驗證。
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解決方案
信息如何“逃出”黑洞?
轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在近年來對 量子引力 效應(yīng)的深入研究中。物理學(xué)家意識到,不能將黑洞視為純粹的經(jīng)典物體,它本身也受量子規(guī)律支配。
關(guān)鍵突破在于認(rèn)識到,量子黑洞周圍的時空并非完美對稱。微小的量子漲落會使時空產(chǎn)生極其輕微的不規(guī)則扭曲,這種不對稱性本身就可以作為一種信息存儲介質(zhì)。2023年,有團(tuán)隊計算出,這種時空扭曲會影響霍金輻射,使其不再是完全隨機(jī),而是以極其微弱、彌散的方式編碼著黑洞內(nèi)部的信息。
另一項研究則從“ 量子糾纏 ”的角度出發(fā)。霍金輻射源于黑洞事件視界附近產(chǎn)生的粒子對(一個落入黑洞,一個逃逸)。這兩個粒子是量子糾纏的。研究人員發(fā)現(xiàn),這種糾纏關(guān)系可以在視界之外形成一個微小的“ 糾纏島 ”(或稱為“半島”)。這個區(qū)域雖然可能只有一個原子寬度那么大,但它扭曲了時空,使得關(guān)于黑洞內(nèi)部的信息得以保留在外部宇宙中,理論上可以被獲取。
新的謎團(tuán)
解決了悖論,卻未解開引力
盡管物理學(xué)家們找到了信息守恒的機(jī)制,但他們卻高興不起來。原因在于:
這個解決方案并沒有催生出人們夢寐以求的、能夠統(tǒng)一引力和量子力學(xué)的“萬有理論”。它更像是在現(xiàn)有理論框架內(nèi)的一種巧妙修補(bǔ),說明信息守恒可以成立,但沒有揭示其背后更深層的物理原理。
此外,我們或許知道了信息如何從黑洞邊緣“泄露”出來,但對于事件視界之內(nèi)發(fā)生了什么,我們依然一無所知。那里的物理規(guī)律可能完全超乎我們的想象。有理論甚至推測,從外部觀測到的巨大黑洞,其內(nèi)部實際有效的物理空間可能遠(yuǎn)比我們想象的要小。
未來的探索
模擬與計算
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由于直接觀測黑洞內(nèi)部是不可能的,科學(xué)家們正嘗試的其他途徑包括:
模擬黑洞:在實驗室里使用超流體等特殊物質(zhì)來模擬黑洞的某些行為,例如觀察類似霍金輻射的現(xiàn)象。但許多物理學(xué)家懷疑,這些模擬系統(tǒng)能否真正復(fù)現(xiàn)黑洞內(nèi)部時空角色互換(空間變成時間)的極端特性。
量子計算 :未來的大型量子計算機(jī)或許有能力模擬引力和量子效應(yīng)相互作用的極端復(fù)雜性,這可能會為我們提供新的線索。
結(jié)論
黑洞信息悖論的(近乎)解決,是物理學(xué)的一個重大里程碑,它捍衛(wèi)了量子力學(xué)信息守恒的基本原則。然而,它更像是一扇門的開啟,而非終點。它告訴我們,黑洞的奧秘比我們想象的更深,挑戰(zhàn)著我們對于時空、信息和現(xiàn)實本質(zhì)的根本理解。探索這些新謎題的過程,或許最終將引領(lǐng)我們走向物理學(xué)下一次的革命。
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