本周，物理学界对斯蒂芬·霍金解决了著名的黑洞信息悖论，甚至发现了“逃离黑洞的方法”的消息议论纷纷。然而，这些令人兴奋的声明有些为时过早——这个悖论看起来具有持久性。
剑桥大学物理学家霍金在 20 世纪 70 年代首次揭示了这个难题，当时他预测黑洞——本应是无法逃脱的引力陷阱——实际上会泄漏光，称为霍金辐射。从理论上讲，随着时间的推移，黑洞会释放出如此多的辐射，以至于完全蒸发。然而，这个结果提出了一个问题，因为它似乎表明黑洞会摧毁信息——根据量子力学理论，这绝对是不可接受的。
一个悖论
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够发布关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事。
黑洞和所有其他事物一样，应该保留其形成的量子力学记录。例如，黑洞可能源于一颗大型恒星的死亡，这颗恒星耗尽了核聚变燃料并在自身引力作用下坍缩。根据量子力学，黑洞应该存储关于产生它的恒星以及之后落入其中的任何物质的信息。但是，如果黑洞有一天蒸发了，那么信息似乎就会被摧毁。
物理学家们试图找到一种方法，让信息通过霍金辐射逃脱黑洞的消亡。然而，这种情况的问题在于，黑洞似乎没有办法将信息传递给这种辐射。事实上，根据广义相对论（首先预测了黑洞的存在），黑洞是非常简单的物体。它们只有三个属性：质量、电荷和角动量；除了这些量之外，它们没有其他特征，没有其他细节——用物理学家的行话来说，它们“没有毛发”。
霍金在 8 月 25 日于斯德哥尔摩皇家理工学院的一次演讲中，公布了信息丢失悖论的潜在“答案”——一种赋予黑洞毛发的方法：“我提出信息不是像人们可能期望的那样存储在黑洞内部，而是存储在其边界，事件视界上，”他说。事件视界是黑洞的理论边界，是进入物质的球形“不归路”。霍金进一步提出，信息存在于事件视界上的所谓“超平移”中，这些超平移是会在霍金辐射发射的粒子的位置或时间上引起偏移的印记。这些超平移将由死亡恒星的粒子以及首次穿过事件视界时落入黑洞的任何其他物质形成。霍金承认信息不易检索，但坚持认为至少不会被摧毁，从而解决了悖论。“关于进入粒子的信息被返回，但以一种混乱的无用形式，”他说。“出于所有实际目的，信息都丢失了。”
“更大的困惑状态”
大多数物理学家认为，现在判断霍金的想法是否是真正的进步还为时过早。他的演讲很简短；他和两位合作者——剑桥大学物理学家马尔科姆·佩里和哈佛大学的安德鲁·斯特罗明格——计划在未来几个月发表一篇论文，进一步详细阐述他们的想法。“我认为[这个想法]很有希望，”北欧理论物理研究所的物理学家萨宾·霍森菲尔德说，她参加了这次演讲。“但到目前为止，它还不是一个完整的解决方案。”
霍金描述了他的想法背后的基本原理，即超平移可以编码信息。“可能如此，”霍森菲尔德补充说，“但目前尚不清楚这如何发生以及效率如何。此外，他们存储信息的机制实际上允许他们存储过多的信息！”
超平移绝不是唯一的解决方案。近年来，物理学家们提出了许多想法来解决——或进一步复杂化——信息丢失悖论。“老实说，我必须说[这个悖论]现在比以往任何时候都更加混乱，”瑞典乌普萨拉大学的物理学家乌尔夫·丹尼尔森观察到，他参加了这次演讲。“霍金说他已经解决了信息悖论，对我来说，这意味着现在又出现了一个新的要素，问题是：这实际上会解决任何问题，还是只会让我们陷入更大的困惑？我真的不确定。”
更大的谜团
无论霍金的设想会发生什么，这个话题都将继续成为物理学界的热门问题。这个问题不仅仅是对黑洞的晦涩考虑——它与关于宇宙的本质和起源的更大谜团息息相关。为了回答这个问题，物理学家可能不仅需要更好地理解黑洞，还需要完整的量子引力理论——一个迄今为止仍然缺失的理论。
黑洞之所以令人费解，部分原因是它们调用了两种不同的自然理论——量子力学（支配亚原子世界）和广义相对论（描述引力并在大型宇宙尺度上占主导地位）。然而，这两种理论从根本上是互不相容的。物理学家需要的是一种根据量子规则描述引力的方法。通过同时调用量子力学和相对论，信息丢失悖论“给了我们一个机会来关注我们知道的和我们不知道的，并试图弄清关于量子引力的不同假设的含义，”安大略省 Perimeter 理论物理研究所的物理学家李·斯莫林说。
斯莫林和霍森菲尔德最近合作撰写了一篇评论文章，总结了信息丢失难题的所有各种可能的解决方案，并得出结论，它们主要分为六类，每类都采取不同的方法来解决明显的悖论。一种可能性是信息确实被摧毁了——也许量子力学的禁令是错误的。另一种可能性是在黑洞内部，一个新的时空区域形成了一个类似婴儿宇宙的东西，信息在其中被保存下来。其他解决方案涉及称为“白洞”的理论物体——白洞是黑洞的反面，其中时间流向相反，没有东西可以落入，只能向外流出（包括信息）。还有一种可能是黑洞永远不会完全蒸发——它们只会缩小到非常小的尺寸，从而保存信息。或者，也许信息以某种方式从黑洞内部复制到外部，因此当黑洞被摧毁时，外部副本仍然存在。最后，还有一些提议认为信息以各种方式编码在黑洞的视界上——霍金的想法属于这一类。“我认为真实情况不幸的是，我们有一个难题，我们有几种解决方法，但我们只是了解得不够，”斯莫林说。“甚至可能在自然界中存在不同种类的黑洞，有些以一种方式解决难题，而另一些则以另一种方式解决。”
无论解决方案如何，它都可能不仅影响黑洞，还可能影响一个理论上相关的事件——大爆炸。黑洞的小而致密的状态与我们宇宙诞生时的假定情况非常相似，并且许多相同的物理考虑因素都适用。在这两种情况下，数学目前都预测存在“奇点”——一个时空点，它是无限致密且无限小的。一些物理学家说这些无穷大证明方程是错误的，而另一些物理学家则坚持认为奇点是物理现实。如果信息丢失悖论的解决方案来自消除奇点的量子引力理论，那么它可能暗示我们宇宙的不同起源。“时间是否仍然有第一个时刻，”斯莫林问道，“或者奇点是否被消除并变成反弹，以至于在大爆炸之前存在一个宇宙时代？”