霍金與薩斯坎德的黑洞戰爭

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黑洞，是最神秘卻又最簡單的天體，物理學家們認為黑洞或許藏著量子和宇宙的許多秘密，稱之為「21世紀的氫原子」。在霍金生前，曾和另外幾位理論物理學家薩斯坎德、特·豪夫特等人展開了一場持續數十年的關於黑洞信息丟失的大辯論。這場黑洞戰爭探討了物理學的最本質的問題——信息是否會丟失，可以說，這是一場不亞於量子力學論戰的物理學大討論。今天，小編就帶著大家簡單了解一下這場偉大的物理戰爭，以向偉大的物理學家霍金致敬。

黑洞會吞噬信息嗎？

我們先從熵和信息說起。熵是一個很抽象的物理概念，用來描述系統的混亂程度，在溫度不變的情況下，熵的變化和系統能量的變化成正比。1973年，霍金和布蘭登·卡特、詹姆斯·巴丁合作，在論文中，他們發現，黑洞的面積和質量也有類似的關係。而根據愛因斯坦的質能方程，能量和質量其實是一回事。因此，黑洞的面積竟然和熵有如此緊密的聯繫。不久之後，貝肯斯坦也投入到相關的研究中，求出了黑洞的熵和面積之間幾乎等價的關係。1974年，隨著霍金將量子力學引入黑洞的研究，發現了黑洞具有溫度，且在進行霍金輻射。就這樣，黑洞熱力學建立了。

貝肯斯坦是一位了不起的物理學家。在他那個等級的理論物理學家裡，他的論文的數學公式似乎是最容易看懂的，因為用的數學十分基礎。但是俗話說，重劍無鋒，大巧不工，這也從另一個角度說明了，這位以色列天才的大腦該是多麼智慧。

可怕的黑洞

我們知道，物理學家惠勒曾經用黑洞無毛來風趣地形容黑洞的特點——黑洞可以用三個參數，即質量、電荷和角動量來完全地描述。換句話說，我們在外面測量，只能測量出來這三個參數。或者說，如果有兩個質量完全一樣的恆星，但是一顆是由通常物質組成，另一顆則是由反物質組成，那麼隨著它們坍縮為黑洞，其結果竟然是一樣的，我們將無法區分這兩個黑洞。而霍金輻射告訴我們，黑洞在緩慢地蒸發，質量越小的黑洞溫度相對來說就越低，蒸發的也越快。但是，這些蒸發出來的粒子是否會攜帶原來的信息呢？我們利用足球比賽來打個比方：假設A隊射門，足球被B隊門將沒收，之後B隊展開反擊，那麼這時候，B隊反擊的球員一定得是帶球向前，而不能是大家一起跑百米衝刺，不然足球去哪兒了？在量子力學的觀點下，信息是守恆的，但危險的是，霍金輻射所預言的蒸發，是不管三七二十一的完全隨機的熱輻射，這勢必破壞了信息守恆這樣一個物理學的靈魂。這種衝突，在今天被稱為「黑洞信息佯謬」。

可怕的黑洞

咱們在做物理題的時候都知道，通過列公式，我們能夠求出一個系統前後的變化。我們之所以能夠這樣做，正是因為信息守恆。若信息丟失了，那麼我們可能連高中物理題都做不了。因此如果信息真的丟失，這意味墜入黑洞的粒子所攜帶的一系列內稟屬性都要被同化了，也意味著物理要徹底重建了！就這樣，霍金以他引以為傲的霍金輻射，挾持了「信息守恆定律」，向物理學界宣戰。他在公開演講和私下討論中，自信滿滿地提出了這一看法。而迎戰的，是美國物理學家薩斯坎德和荷蘭物理學家特·豪夫特等人。

有趣的是，這不是科學家們第一次在黑洞上大擺賭局了。物理學界似乎非常喜歡在黑洞這一神秘的天體上打賭，索恩、澤爾多維奇、錢德拉塞卡、霍金、普雷斯基爾等人先後打了5次賭，索恩4勝1負堪稱戰神，而霍金的戰績卻是0勝3負。那麼這次霍金會勝利嗎？

諾貝爾物理學獎得主特·豪夫特

為了解決這一疑難，挽救物理學，粒子物理出身的特·豪夫特認為，黑洞再複雜，上面的行為再難以計算，最後還是可以歸結於一次次的粒子與粒子的相互作用。這種過程在粒子物理中可以用S矩陣來描述。而霍金堅信要革命，把S矩陣否了，打了一個刪除線，結果這個符號和美元的符號十分像，因此時人稱之為$矩陣。

墜入黑洞的信息會浴火重生嗎？

而富於想像力的，薩斯坎德則提出了黑洞互補原理，認為自然的基本法則只要因果自洽即可。薩斯坎德舉了這樣一個例子，假如有一頭大象不幸墜入一個足夠大黑洞（潮汐力足夠小），那麼和大象一起進入黑洞視界的觀測者並不會感覺到任何不妥之處，它和大象正常前進，直到到達奇點。而在黑洞之外的觀測者，由於引力紅移，只會看到大象越來越慢，最後凍在視界上，並逐漸變暗紅色，最終蒸發掉。這樣兩位觀測者的觀測結果矛盾嗎？並不矛盾，由於這兩位觀測者之間沒有因果關係，因此只要他們分別的觀測結果能夠因果自恰即可。但是，外面的觀測者能否從霍金輻射中讀出大象的信息呢？

霍金和黑洞

這就不得不說到量子力學的一個基本內容——量子糾纏。唐·佩奇利用量子糾纏，發現黑洞的信息要在黑洞足夠老的時候，才能夠通過霍金輻射從黑洞中逃出。佩奇的理論儘管已經建立多年，但是仍然是個半成品。若想完成這個模型，則需要一套足夠好的量子引力理論。而在世紀之交，阿根廷物理學家馬爾德西納建立的AdS-CFT理論進一步保護了信息使其不能夠丟失。在南美人的智慧面前，霍金不得不認輸了。

理論物理界的「萌大叔」薩斯坎德

不過這樣雖然能夠解答信息悖論，卻又引發了新的悖論——火牆佯謬。2013年，艾哈邁德·艾勒穆海里、唐納德·馬羅夫、約瑟夫·波爾津斯基和詹姆斯·薩利以AMPS的名義提出了黑洞的火牆佯謬。該佯謬認為，黑洞會通過霍金輻射蒸發出來信息，如果在黑洞蒸發時信息是守恆的話，那麼落入黑洞視界的觀察者將會在視界附近看到一個溫度無窮大的「火牆」。量子信息告訴我們，同一個光子不可能與兩個不同的光子同時處於最大糾纏態。要解決這個悖論，最簡單的辦法就是讓黑洞視界附近不再是真空，而是具有很高的溫度，或者說「火牆」。這樣，在視界附近，廣義相對論和火牆將發生衝突。

為了解決這一難題，馬爾達西納和薩斯坎德合力提出了一個大膽的猜想，即ER=EPR猜想，ER就是愛因斯坦-羅森橋（蟲洞），而EPR就是EPR佯謬，即借指糾纏。也就是說，相互糾纏的粒子之間，是靠蟲洞連接的。這樣可以完美解決火牆佯謬。當然ER=EPR的意義遠不止這些，它可能是不亞於德布羅意關係那樣的偉大創舉。

《黑洞戰爭》是一部了不起的科普著作。

關於黑洞信息佯謬有太多可以講的，更有太多可以學習的，絕對不是一篇小文就能夠放得下的。多年之後，薩斯坎德回憶起這段驚心動魄的爭論，寫下了《黑洞戰爭》一書。曾經做過水管工的薩斯坎德寫書語言風趣幽默，但是又特別喜歡自己造詞，給翻譯造成了較大困難。而這本書的翻譯者是我國理論物理學巨擘李新洲先生，他學貫中西，將這本書翻譯得非常好。若想領略理論物理學家們的奇思妙想，這本書是非常好的選擇。事實上，正如薩斯坎德先生所說，我們很可能仍是一些滿腦子錯誤圖像的深感迷惑的初學者。終極的現實離我們還很遠。這讓人想到那個古老的繪圖學裡的術語——未發現的地域。我們了解得越多，剩下的未知就越少。

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作者：王紀堯

配圖：王紀堯

校對：安東升

排版：王紀堯

責任編輯：解仁江

牧夫新媒體編輯部

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