霍金黑洞悖論,真是燒腦的科學!

2020-12-05 熙巖知識百科

科學家在未知的邊緣進行探索,每一個新知識都為通往未知空間開闢了一條道路。而沒有什麼能比一個悖論更加具有不確定性和啟發性。縱觀歷史,一個又一個的悖論已經顛覆了我們的認知,它們重塑了我們對世界的理解。

如今,一個宇宙中最有名的悖論揚言要闡釋廣義相對論和量子力學:這就是黑洞信息悖論。要理解這個悖論,我們首先需要給「信息」下一個定義。一般來說,我們所談論的信息都是肉眼可見的。比如,蘋果是紅色的,圓的,閃閃發亮的這樣的信息。但物理學家們更關心量子信息。這指的是組成蘋果的所有粒子的量子屬性,比如它們的位置、速度和自旋。

宇宙中的每個物體,都是由具有獨特量子特性的粒子組成的。在一條重要的物理定律中特別地強調了這個觀點:宇宙中量子信息總量必須是守恆的。即使你把一個物體摧毀得面目全非,它的量子信息也不會被永久刪除。理論上來說,掌握這些信息的知識可使我們利用粒子重塑這個物體。信息守恆定理並不只是一條武斷的定理,而是數學上的必然,現代科學有很大一部分都是建立在此基礎上。但在黑洞周圍,這些基礎理論似乎就沒那麼確定了。當一個蘋果墜入黑洞時,它似乎離開了宇宙,它所有的量子信息都無法挽回地丟失了。然而,這並沒有立刻打破物理規律。這些量子信息去了我們看不見的地方,但有可能就在黑洞的某個神秘空間裡存在著。

相反,另外一些理論認為,這些量子信息根本就沒有進入黑洞。從外圍看,這個蘋果的量子信息像是被轉換成了編碼附著在黑洞的表面,我們稱之為「事件視界」。隨著黑洞質量的增加,視界的表面積也在增加。所以可能在黑洞吞噬物體的同時,它也變得足夠大來保存此物體的量子信息。但是不論信息是在黑洞內部還是在黑洞表面保持守恆,都還是符合物理定律的——直到你考慮到霍金輻射。

霍金輻射在 1974 年被史蒂芬 · 霍金髮現,這個現象表明黑洞是在逐漸被揮發。在極長的一段時間內,隨著黑洞剝離事件視界上的粒子,它的質量也會減輕。重要的是,似乎揮發的粒子與黑洞所編碼的信息沒有關聯——表明黑洞和其包含的所有量子信息都可能會被徹底抹去。但那些量子信息真的消失了嗎?如果沒有,它又去哪兒了呢?儘管這個揮發的過程要花上極長的一段時間,它所牽扯出的物理問題卻需要被迫切解決。

信息的毀滅可能會迫使我們重寫一些我們最基本的科學範型。但幸好,在科學界,每個悖論都是我們發現新理論的機會。研究者們正在探究一系列解決信息悖論的可行方案。有些研究者提出那些信息其實是以一種我們還無法理解的形式被編譯在逃脫輻射中。

另一些研究者提出此悖論不過是對廣義相對論與量子場論相互作用方式的一種誤讀。這兩種理論,分別闡釋了最大與最小的物理現象,因此極難被合二為一。一些研究人員論證說最終自然會有「能闡釋萬物的理論」能解釋此悖論與其他許多悖論。恐怕在探究此悖論的過程中遇到的最令人費解的理論則是全息原理。

此原理是從「事件視界的二維表面能保存量子信息」的想法中延伸出來的,這表明可觀測宇宙的邊界其實也是一個包含了編譯著三維物體的二維信息表面。如果這是真的,那麼可能我們所理解的現實也只不過是那些信息的全息投影。一旦被證實,這些理論中的任何一條都將為我們帶來新的值得被探索的問題,不管怎樣,此悖論都已帶領我們距離未知世界更進一步。(版權申明:圖片均來自於網絡,如有侵權,請聯繫刪除)

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