霍金說，我們並非無法逃離黑洞

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馬薩諸塞州坎布里奇電 — 「黑洞無毛。」（A black hole has no hair.）

半個世紀以前，理論物理學家、物理學術語創造大師、普林斯頓大學教授約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）提出了這個看似簡短不合邏輯的神秘結論，為現代物理學立下了一根支柱。

「黑洞無毛」理論根據經典的引力場方程式，描述了大自然消除落入黑洞的一切物體大部分屬性的能力。黑洞的這一特點嚴重破壞了科學預測未來的能力，顛覆了我們對於宇宙運作方式的理解。

如今，事實證明，這個理論似乎有可能是錯誤的。

近來，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）坐著輪椅穿過哈佛大學古老的木牆板桑德斯劇場（Sanders Theater）舞台，向黑洞開戰。黑洞是科學界所能想像到的最可怕的惡魔之一，霍金博士自己也曾為它的出現添磚加瓦。黑洞就像是宇宙中一個難以穿透的無底深淵，長期以來，人們始終認為，沒有任何東西能夠從其視界逃脫——就連光線和思想也不能。

然而現在，這位一生都在與盧·格里克病作鬥爭的科學家告訴我們：我們不必如此畏懼黑洞。

本周出版的《物理評論快報》（Physical Review Letters）上刊登的一篇論文中，霍金博士和他的同事、哈佛大學教授安德魯·施特羅明格（Andrew Strominger），以及英國劍橋大學（Cambridge University）教授馬爾科姆·佩里（Malcolm Perry）表示，他們已經找到了指明逃離黑洞方法的線索。

「黑洞曾一度被認為是永遠無法逃脫的監獄，但實際情況並非如此，」霍金博士用他著名的、由合成器處理過的機械聲音說道，「要是你覺得自己被黑洞困住了，那也別放棄，擺脫黑洞的方法還是有的。」

黑洞是愛因斯坦（Einstein）廣義相對論中最不祥的預言：過多的物質或能量聚集在一點會使宇宙失控，像魔術師的斗篷一樣吞噬一切。

起初，科學家們在提到黑洞時，只會把這些怪物比作永遠無法逃脫的監獄。40 年前，霍金博士徹底顛覆了人們對黑洞的理解。他的方程式顯示，黑洞不會永久存在。隨著時間的流逝，黑洞會「泄露」此前吸收的物質，隨後發生爆炸，噴射出放射物和粒子。

圖說：（左起）正在研究黑洞物理的馬爾科姆·佩里、安德魯·施特羅明格和史蒂芬·霍金。圖片來源：Anna N. Zytkow

自那以後，物理學界最亟待解決的一項問題就變成了：等到黑洞最終消失的時候，它會不會釋放出所有此前吸收的物質？

霍金博士的計算曾被認為是、而且現在依然是一項突破性進展，它能夠幫助科學界理解引力和聯繫力學之間的聯繫，以及宇宙絲狀構造和宇宙內部亞原子粒子之間的聯繫——即宇宙大結構和小結構之間的聯繫。

但這其中存在一個問題。根據霍金博士的估算，黑洞崩潰時噴射出的放射物是隨機的。因此，和被吸入黑洞的事物有關的大部分信息都會被抹去——無論黑洞是吸入了大象還是驢子，大眾還是凱迪拉克，它所吸入事物所具有的一切屬性「信息」都會被抹去。

愛因斯坦曾說過一句著名的話：「上帝不會擲骰子。」1976 年，霍金博士對愛因斯坦的這句話進行了回擊：「上帝不但會和宇宙擲骰子，有時候他還會把骰子擲到我們看不見的地方去。」

然而，他當時的計算違背了現代物理學的一項原則：從理論上來說，逆轉時間、重現兩輛車碰撞或一顆死亡的恆星塌縮成為黑洞的可能性總是存在的。

宇宙就像是一種超級計算機。它應該有能力記錄一輛車是綠色的小型 敞篷載貨卡車、另一輛車是紅色的保時捷這樣的信息，或者某件物品是由物質組成的、某件物品是由反物質組成的這樣的信息。這些事物可能會被毀滅，但是它們的「信息」——即它們本質的物理屬性——應該是永存的。

事實上，此前據霍金博士所言，這些信息在黑洞里似乎會丟失，就好像宇宙的存儲晶元上儲有的部分信息被抹去了一樣。根據這一理論，只有和被吸入事物的質量、電荷和角動量有關的信息才會被保存下來。

至於這些東西是由反物質組成的還是由物質組成的、是男是女、是甜是酸……這些信息都將不復存在。

（這一理論被提出後，）一場口舌之爭、觀念之戰接踵而至。四月份，霍金在桑德斯劇場的舞台上指出，眾所周知，黑洞信息悖論並不是什麼深奧的論點。相反，它向有關現實本質及其運轉方式的基本信念提出了挑戰。

霍金警告稱，如果這些（有關現實的）規則在黑洞里不起作用，那麼它們在其他地方也有可能會失效。如果基本信息消失在了一個無底洞中，「過去」這一概念本身可能會陷入岌岌可危的境地——我們可能甚至無法確保我們自己的歷史是真實的，我們的記憶可能只是幻覺。

他說：「過去告訴了我們我們是誰。沒有過去，我們就會失去我們的自我認同。」

令歷史學家們感到幸運的是，十年前，在黑洞信息之爭中，霍金博士認輸了。他當時承認，根據弦理論（即所謂的「萬有理論」），宇宙中不可能出現信息丟失的情況。

至少從原則上來說是這樣。霍金博士認為，信息總是會被保存下來的——比如說，就算你燒掉了一本書，這本書的信息也會被煙霧和灰燼保存下來。經過恰當的計算，你應該能夠重現書上墨水、文本的模式信息。

當時，霍金博士因為此事輸給了加州理工學院（Caltech）物理學家裴士基（John Preskill）一本信息檢索方便快捷的棒球百科全書。

圖說：霍金博士、佩里博士和施特羅明格博士的計算可以為黑洞研究提供新的線索。

其實並非「無毛」

但是，無論是霍金博士還是其他科學家，沒有任何一個人能夠提出令人信服的看法，解釋這一情況是怎麼發生的、所有這些「信息」是如何逃過黑洞無情的清理手段的。

事實上，四年前曾有一隊物理學家試圖解決這一問題。他們提出了一項頗有爭議的看法，認為黑洞內部可能存在一堵能量防火牆，能夠阻止一切事物離開甚至進入黑洞。

新的研究結果並沒能解決這一難題。但他們確實打破了著名的「黑洞無毛」理論，打破了黑洞會奪走所有吸入事物的本質屬性的看法。

大約四年前，施特羅明格博士開始研究起了最早可以追溯到 1960 年代的引力相關理論。赫爾曼·邦迪（Hermann Bondi）、M·G·J·馮德布爾格、A·W·K·梅茨納（A. W. K. Metzner）和雷納·薩克斯（Rainer Sachs）1962 年發表的論文，以及後來獲諾貝爾物理學獎的斯蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）1965 年發表的論文指出，引力其實並不像惠勒說得那樣「殘酷無情」。

從正確的角度來看，黑洞可能並不是「荒涼的不毛之地」。

所謂「正確的角度」並不僅僅只有遙遠的太空（在進行理論計算時科學家通常都會這麼假設），它還包括遙遠的時間——遙遠的未來，用專業術語來說就是「空無窮（null infinity）」。

近來，施特羅明格博士在哈佛廣場喝咖啡時解釋說：「空無窮就是指那些光線不會被黑洞吞噬的地方。」

也就是說，你可以把黑洞表面上的光線想像成頭朝外、試圖以光速逃離的一束稻草。這束稻草被黑洞巨大的引力給吸住了。

但是，在被黑洞吸收的新事物的影響下，個別幾根稻草卻可以微微向內或向外滑動，一點一點地前進或後退。比如說，當一個粒子被吸進黑洞時，它就會前後移動光線稻草。這個過程被稱為「超平移（supertranslation）」。

「超平移」就會在黑洞邊界上留下可以泄露秘密的圖案（從黑洞的邊界開始，光線就不會被吸回黑洞中了——這種圖案也就是施特羅明格博士和他的同時所謂的「柔軟毛髮」光暈（a halo of 「soft hair」）。這就像是你的 iPhone 上的像素點或黑膠唱片上起伏的溝槽，它們都包含了穿過視界消失的事物的信息。

「我們常常會聽到黑洞無毛這個說法，」施特羅明格博士和一位博士後研究員亞歷山大·齊博爾多弗（Alexander Zhiboedov）在 2014 年發表的一篇論文中指出，這個想法是錯誤的，「黑洞有一頭茂密、無限多的超平移秀髮。」

現在，霍金博士也加入了他的陣營。

多年來，他和施特羅明格博士以及其他一些同僚一起隱居在水力壓裂技術先驅、石油商人喬治·P·米切爾（George P. Mitchell）名下的一處德州牧場上，在與世隔離的環境下進行研究。由於醫生建議霍金最好不要乘坐飛機，所以 2014 年 4 月，他們將隱居地搬到了英國赫里福郡。

霍金就是在那裡第一次聽聞「黑洞的柔軟毛髮」的。當時他非常興奮。於是他，以及施特羅明格博士和佩里博士開始一起進行研究。

那年秋天，霍金博士在斯德哥爾摩宣布，他們馬上就要研究出信息悖論的解決方法了，引起了轟動。從某種程度上來說，此事也令施特羅明格博士和佩里博士有些吃驚——此前他們一直都在儘力保持低調。

霍金聲稱，儘管信息陷入了令人絕望的一團紊亂，但「從理論上來說卻是能夠恢復的，只是不能再用於任何實際用途了」。

1 月，霍金博士、施特羅明格博士和佩里博士在網上發表了一篇題為《黑洞的柔軟毛髮》（Soft Hair on Black Holes）的論文，展示了他們理論的基本原則。

在這篇論文中，他們承認，從黑洞無毛理論被推翻到解決信息悖論還有很長一段路要走。但這是一個進步。

施特羅明格博士表示，他們的研究顯示，科學界一直以來都忽略了關於黑洞如何消失的某些基本原理。而現在，他們可以提出更加尖銳有針對性的問題了。他說：「我希望我們現在已經抓住了解決問題的關鍵。」

「黑洞有柔軟毛髮」這一理論是否足以解決信息悖論？這點目前還不得而知。對此，其他物理學家給出的回應相當謹慎。

圖說：4 月，霍金博士在哈佛大學表示，黑洞「曾一度被認為是永遠無法逃脫的監獄，但實際情況並非如此」。圖片來源：Pat Greenhouse / 《波士頓環球報》，蓋蒂圖片社

新澤西州普林斯頓高級研究院（Institute for Advanced Study）的胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）提到這一新觀點時表示：「它對於黑洞信息悖論的意義還有待觀望。不過，它可能確實有些影響作用。」

逃脫計劃？

在黑洞研究上，施特羅明格博士具有很高的威信。1996 年，他和庫姆魯恩·瓦法（Cumrun Vafa）進行了一場知名的運算，計算了黑洞的信息量，證實了霍金博士黑洞大爆炸的著名推論。

他們的工作只是聞名遐邇但卻還未得到證實的萬有理論——弦理論——所取得的巨大成就中的一項。一旦黑洞容量估算結果能夠和超平移估算結果相匹配，物理學家們就能夠建立對黑洞的工作基本原理的全新理解。

不過，施特羅明格博士和佩里博士承認，他們目前距離實現這一目標還很遠。在一篇尚未發表的論文中，施特羅明格博士表示，他們已經能夠證明，信息不僅可以通過想要逃逸出黑洞的光線的前後移動來表達，還可以通過光線的扭曲形式來表達。

上個月，霍金博士在哈佛大學又一次肯定了他此前在斯德哥爾摩宣布的內容。

這位喜歡做齣戲劇性聲明的科學家告訴我：「四十年前寫論文的時候，我認為信息將會被傳入另一個宇宙。」而現在他認為，信息會被儲存在黑洞的視界內。

「黑洞消失時，信息將會被重新發射。我和我在哈佛大學的同事安德魯·施特羅明格以及劍橋大學的馬爾科姆·佩里的研究工作顯示了從黑洞中恢複信息的原理。」

你甚至可以逃出黑洞——至少從理論上來說，逃出黑洞是可行的。極限總是能夠被超越的。

霍金博士自己就是一個很好的證明。

他長期坐在輪椅上，卻養育了三個孩子，出版了暢銷書籍《時間簡史》。他因為氣管切開術失去了聲音。他離婚、再婚、再離婚。在某種意義上，他已經成為了一個流行偶像。上周，他稱唐納德·J·特朗普是一個「蠱惑民心的政客」。

他得過好幾次肺炎。來到波士頓之前，他先乘著一架瑞士救護飛機，帶著幾名護士和一名確保他的電腦和聲音合成器正常工作的 IT 專家飛到了紐約。唯一能夠超越他高超才智的，可能就只有他的倔強程度了。

霍金博士和他的同事白天在一間旅館裡工作，晚上參加宴會慶典——其中有一場宴會派對還是在媒體大亨魯伯特·默多克（Rupert Murdoch）的家中舉辦的。

慈善家、企業家尤里·米爾納（Yuri Milner）負擔了這項巨大的開銷。他希望霍金博士能夠在場幫助宣布一個新的項目：我們是否能夠讓外觀像 iPhone 一樣的飛船飛往離地球最近的恆星半人馬座阿爾法星（Alpha Centauri）。

「是什麼讓人類成為了獨一無二的存在？」霍金博士在世界貿易中心一號大樓（One World Center）頂樓參加典禮時煞有介事地問道，「引力把我們往下拉，但我卻坐著飛機飛到了這裡。我失去了我的聲音，但我卻能利用聲音合成器講話。」

「我們是怎麼超越這些極限的？」他繼續道，「我們利用自己的頭腦和機器。」

翻譯 熊貓譯社 錢功毅

題圖來自 northtexasdrifter.blogspot.com

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