藝術示意圖:星系M60-UCD1中的黑洞。傳統觀點認為隨著黑洞消失,它所吞噬的物質所包含的資訊也將從宇宙中消失。但這與量子力學原理相矛盾,從而産生所謂“黑洞資訊悖論”
據《自然》雜誌網站報道,大約一個月前,英國著名物理學家史蒂芬·霍金和他的同事們在預印網站上發表了一篇論文(論文網址:http://arxiv.org/abs/1601.00921)。 然而在論文發表將近一個多月之後,物理學家們卻陷入了意見分裂的局面。
一部分物理學家支援霍金在論文中提出的主張,即認為該理論提供了一種解決黑洞資訊悖論的有希望的途徑,而這一悖論本身也是霍金在40多年前最早提出來的。
美國哈佛大學的物理學家安德魯·斯特羅明格(Andrew Strominger)是霍金這篇最新論文的合著者,他指出:“我想人們普遍對此感到興奮,因為它提供了一種看待事物的嶄新方式,而此前的方式往往會把我們帶進死衚同。”斯特羅明格在1月18日在英國康橋大學向其他物理學同行們介紹了這篇論文中的觀點,那裏正是霍金工作的大學。
不過,並非所有物理學家都同意他的觀點,儘管他們當中的一些人也承認這篇文章對於物理學中的很多問題都有很好的啟發作用。在上世紀70年代中期,霍金髮現黑洞實際上並非完全是“黑的”,而是會發出一些輻射。根據量子力學原理,量子漲落效應必然會在黑洞事件邊界附近産生出一個粒子對——黑洞的事件邊界是黑洞死亡範圍的邊界,一旦越過這條線便有去無回。在産生出的這些粒子中會有一部分逃離黑洞的引力並帶走一部分品質,從而造成黑洞品質的損失,使其逐漸收縮並最終消失。
在1976年發表的一篇文章裏,霍金指出這些向外流出的粒子(後來被稱作“霍金輻射”)將具有完全隨機的性質。因此一旦黑洞消失,此前所有被黑洞吞噬的物質所攜帶的全部資訊也將隨之從宇宙間消失。然而這樣的結果將與量子力學原理相衝突,後者指出,資訊和能量一樣是守恒的,是無法被消滅的。於是這個衝突就成為著名的“黑洞資訊悖論”。在一次演講中,斯特羅明格表示:“大概這篇文章會比歷史上的任何其他論文都會讓更多的物理學家晚上睡不著覺。”
他指出,這其中的疏漏就在於忽略了真空攜帶資訊的潛力。在他們的最新論文中,他和霍金以及第三作者,同樣來自英國康橋大學的物理學家馬爾科姆·佩裏(Malcolm Perry)共同將關注的目光指向了軟粒子(soft particles)。這些是低能量版本的光子、物理學家們假想中認為應當存在的引力子以及其他類型的粒子。直到最近,這些概念還都僅僅停留在被用於粒子物理的紙面計算中。但這一次,論文作者們注意到黑洞所在的真空環境實際上不可能是完全真空的,而必須充滿著粒子,因此在這樣的環境裏存在大量處於零能量狀態的軟粒子。
於是,他們進一步推理指出任何落入黑洞的物質都會在這些粒子中間留下印記。斯特羅明格表示:“如果你在一個完全的真空裏,如果你呼吸,或是做任何事情,你都會造成很多軟引力子的擾動。”經過這樣的擾動之後,黑洞周圍的真空就被改變了,這些物質中所包含的資訊也在這樣的改變中被保留了下來。
在論文中,作者接下來探討了將這些資訊傳導至黑洞的機制,這是解決資訊悖論所必須的步驟。論文作者們採用的方法是嘗試通過計算,找出能夠解碼黑洞事件邊界附近以量子形式存儲的數據——也就是所謂“黑洞毛髮”——的方法。