黑洞信息佯謬:物理學中最著名悖論或將被終結

2020-11-02 煎蛋

最近發表了一系列突破性的論文,理論物理學家們已經令人期待地接近黑洞信息佯謬的答案。這個悖論已經困擾了他們近50年。他們現在可以自信地說,信息確實能逃出黑洞。

如果我們跳進黑洞,好消息是我們不會被徹底抹消。重組你身體所需的信息會重新出現。大多數物理學家長期以來一直認為進入黑洞中的信息也不會消失;這是超弦+全息理論的推導結果。新論文雖然受到弦論的啟發,但卻自成一派,絲毫看不到弦的影子。信息是通過引力本身的運作傳出去的——只是普通的引力與量子效應。

根據愛因斯坦的廣義相對論,沒有任何東西可以從黑洞中逃逸。所謂的黑洞無毛定律,這裡的「毛」就是信息。如果我們把物質投入黑洞,那物質本身所攜帶的信息就消失了,只保留下最純粹的質量。但是,量子力學要求所謂的么正性,在數學上等價於信息守恆——宇宙中的信息是不會消失的,只能轉化。

著名的霍金輻射雖然揭示出黑洞的量子性和熱力學性質,但也僅僅是黑洞外周發生的效應,不會帶出黑洞內部的信息。不過霍金和其他人雖然試圖用量子理論來描述黑洞內和周圍的物質,但他們還在用愛因斯坦的經典理論描述引力——物理學家稱之為"半經典"的混合方法。物理學家之前普遍認為,霍金已經搞定了半經典計算。任何新進展都必須在引力量子化之後——但把引力量子化是當代物理學界的聖杯,起碼未來半個世紀裡不抱期望。

最新研究的突破性就在這裡了。他們發現了額外的半經典效應——新的引力結構,愛因斯坦的理論允許存在,但霍金沒有考慮在內。起初這些效應並不明顯,但當黑洞變得極其古老時,這些效應就會佔據主導地位。黑洞從詭秘之主轉變為充滿活力的開放系統。不僅信息外溢,任何新落入黑洞的物質幾乎都會立即被「反芻」。修正後的半經典理論目前還沒有給出信息具體如何逃逸的機制,但理論前景非常喜人。

"我認為,這是自霍金以來,該課題裡最令人興奮的事情。"共同作者之一,加州大學聖巴巴拉分校的唐納德·馬羅夫說。

這項工作是高度數學化的,仿佛是戈德堡機器,將一個又一個看起來無關的引理和定律串聯起來,讀起來一頭霧水。蟲洞、全息原理、新興時空、量子糾纏、量子計算機。幾乎每一個基礎物理學的概念都會出現,使得這個主題既吸引人又讓人困惑。

同時,也不是每個人都對他們深信不疑。有些人仍認為霍金是對的,如果要從黑洞中逃出,必須要有弦理論或其他新奇的物理學。"我很牴觸那些說'我用量子力學和引力中就能解決'的人,"南加州大學的尼克·華納說。"因為它之前帶我們走了多少彎路。"

但幾乎所有人都同意一件事。在某種程度上,時空本身似乎在黑洞處分崩離析,這意味著時空並不是現實的基礎,而是一種來自更深層次的東西的組合結構,就像分子是原子組成的結構一樣。雖然愛因斯坦將引力設想為時空的幾何學,但他的理論也蘊含了時空構件分離的可能,這就是信息最終能夠逃離引力囚籠的原因。

https://www.quantamagazine.org/the-black-hole-information-paradox-comes-to-an-end-20201029/

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