從黑洞中拯救量子理論 霍金的終極探索

John Preskill（左）、Kip Thorne（中）和霍金探討黑洞理論。圖片來源：CALTECH ARCHIVES

在1955年去世時，阿爾伯特·愛因斯坦已經花了幾十年去追求一種孤獨的、不切實際的探索：一種能統一引力和電磁學的萬物理論——儘管物理學家在其間已發現了新的核力量。而近日去世的76歲英國物理學家史蒂芬·霍金也一直工作到生命的盡頭。但他關注的可能是物理學領域中一個最重要的問題，也是他自己提出的問題：黑洞如何保存落入其中的物質上的信息？

美國加州大學聖塔巴巴拉分校量子物理學家Steven Giddings說：「霍金顯然一直在研究這個大問題直到去世，這實際上代表了一場物理學的深刻危機。」為了解決這一問題，霍金和他的兩位同事提出了一種理論，即信息最終被潦草地刻畫在黑洞不可思議的邊緣上，儘管其他人對此表示懷疑。

黑洞是一個引力場，是當恆星在自身引力作用下坍縮成一個無窮小點時的殘骸。在距離該點一定距離內——在黑洞的事件視界，引力變得如此強大，甚至連光都無法逃脫。但由於量子不確定性的存在，真空中動蕩的正反粒子對高速移動，無法直接探測到。霍金在1974年指出，在事件視界上，正反粒子對中的一個粒子可以墜入黑洞而另一個粒子逃逸。

當黑洞輻射這些粒子時，它會失去能量和質量，直至完全蒸發。同年，霍金在《自然》雜誌發表論文闡述黑洞輻射理論。由於觀點激進，不少學者一開始持保留意見。但隨著時間推移，論文獲得學術界認同。現在，雖然這種「霍金輻射」由於太微弱而無法觀測，但幾乎沒有科學家懷疑它的存在。

但霍金的標誌性見解帶來了一個令人不安的結論。想像一下，把一本字典扔進一個黑洞，然後蒸發掉，但因為霍金輻射的出現可能是隨機的，所以字典里的信息難以脫離字典恢復原狀。而這樣的信息丟失會破壞量子力學，後者要求描述任何系統的「波函數」——不管是字典還是宇宙——以一種可預測的方式發展。如果信息丟失，那就不可能發生。研究人員說，如果考慮到黑洞的特性，這樣的信息損失會像癌症一樣擴散到量子物理中，破壞諸如能量守恆等。

霍金起初認為這個問題可以通過改變數子理論來解決。1997年，他和加州理工學院引力理論學家Kip Thorne、理論學家John Preskill打賭。霍金和Thorne堅持他們有關黑洞摧毀信息的理論。然而到了2004年，霍金改變了主意，並願賭服輸。他給了Preskill一本棒球百科全書。

霍金晚年的大部分時間都在試圖弄清楚黑洞是如何回涌信息的——儘管他也在研究大爆炸觸發理論。3年前，霍金與劍橋大學同事、理論物理學家Malcolm Perry和哈佛大學理論學家Andrew Strominger開始了最後一次關於黑洞的研究。「就在兩周前，我看到了他，他的狀態不是最好的，但注意力顯然集中在這個問題上。」Perry說。

在最近的兩篇論文中，科學家攻擊了黑洞理論的一個支柱：「無屬性定理」。它被廣泛解釋為僅僅用3個參數（質量、自旋和電荷）就足以描述一個黑洞了。正如美國理論家John Archibald Wheeler所說，就像禿頂的人一樣，相似質量和旋轉的黑洞沒有細節——沒有「頭髮」——來區分它們。這意味著一個黑洞並沒有記錄它吞下的是《李爾王》還是《金剛》。

但Strominger表示，嚴格地說，這個定理只說明了兩個相似的黑洞可以通過一種稱為微分同胚映射的數學關係「轉換」到彼此，這一關係重新定義了時空坐標。它們暗示著黑洞事件視界可能會被無限的電荷覆蓋。Strominger說，這些電荷可以區分兩個黑洞，並對信息進行編碼。「我們對這個想法持謹慎樂觀的態度。」

然而，Giddings警告說，這些電荷可能無法編碼足夠的信息，也可能無法以一種獨特的方式進行。一位不願透露姓名的理論家表示，霍金對黑洞信息問題的各種解決方案與他的最佳作品相比黯然失色。這位理論家說，霍金的最新研究也忽略了一個更大的問題。如果一個黑洞保存了信息，那麼愛因斯坦引力理論的一個不可避免的結論——沒有辦法判斷你是否掉進了一個巨大的黑洞——肯定是錯的。

雖然爭論還在繼續，但霍金的成就無疑影響深遠。自從霍金於3月14日去世後，已有數千人來到劍橋在悼念霍金的簽名冊上簽名。在互聯網上的簽名冊亦有大量來自世界各地民眾的留言。有消息稱，霍金葬禮將於3月31日舉行，地點位於劍橋大學岡維爾—凱厄斯學院附近的聖瑪麗教堂。霍金的骨灰將於今年晚些時候安放於倫敦威斯敏斯特教堂，與著名科學家牛頓、達爾文等安息在一起。

霍金1942年1月8日生於英國牛津，生前任劍橋大學教授，曾擔任過該大學盧卡斯數學教授。他的主要研究領域是宇宙和黑洞，提出過與黑洞相關的「霍金輻射」理論。他還撰寫過全球暢銷科普書《時間簡史》，該書自1988年首版以來，已被翻譯成數十種文字，銷售量超過千萬。（張章編譯）

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