【博科園-科學(xué)科普】隨著斯蒂芬·霍金的去世，科學(xué)不僅失去了最知名的公眾人物，而且也失去了一個(gè)研究黑洞本質(zhì)的杰出研究者。
圖為英國(guó)物理學(xué)家與宇宙學(xué)家：史蒂芬·霍金（1942—2018）
雖然霍金最后一篇論文可能更多地側(cè)重于當(dāng)今宇宙學(xué)所面臨的一些挑戰(zhàn)，但他最偉大的科學(xué)貢獻(xiàn)（如霍金輻射）在于通過(guò)研究宇宙中最極端的物體（黑洞），揭示了宇宙中一些不可思議的量子事實(shí)。
圖注：在黑洞事件視界之外，廣義相對(duì)論和量子場(chǎng)論對(duì)于理解發(fā)生的物理現(xiàn)象是完全足夠的，這就是霍金輻射。但即使是這兩者的結(jié)合，也會(huì)導(dǎo)致尚未解決的信息悖論。圖片版權(quán)：NASA
黑洞一度被認(rèn)為是靜止的、不變的、僅由其質(zhì)量，電荷和旋轉(zhuǎn)來(lái)定義黑洞，通過(guò)轉(zhuǎn)化為具有溫度，發(fā)射輻射并且隨著時(shí)間推移最終蒸發(fā)。然而這已被接受的科學(xué)結(jié)論——推斷霍金輻射的存在和性質(zhì)，黑洞提供了一種破壞宇宙信息的方式。盡管世界上最聰明的人已經(jīng)花了40多年時(shí)間來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但黑洞信息悖論仍然沒(méi)有得到解決。
圖注：當(dāng)一個(gè)物體被黑洞吞噬時(shí)，物質(zhì)所具有熵的大小取決于物理特性。但是在黑洞內(nèi)部只有質(zhì)量、電荷和角動(dòng)量等特性是重要的。如果熱力學(xué)第二定律必須保持真實(shí)正確，這將會(huì)是很大的難題。圖片信息及版權(quán)：NASA/CXC/M.Weiss; X-ray (top): NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al. (L); Optical: ESO/MPE/S.Komossa (R)
熱力學(xué)第二定律是宇宙中最不可違背的法則之一：取任何你所喜歡的系統(tǒng)，不要讓任何東西進(jìn)入或離開，系統(tǒng)的熵不會(huì)自發(fā)地減少。雞蛋不會(huì)自發(fā)地破開自己，溫暖的水永遠(yuǎn)不會(huì)分離成熱的和冷的部分，灰燼不會(huì)重新組合成它們被燒毀前的物體的形狀。所有這些都是減少熵的一個(gè)例子，而這本質(zhì)上不會(huì)發(fā)生。
熵可以保持不變，在大多數(shù)情況下會(huì)增加，但熵永遠(yuǎn)不會(huì)回到低熵狀態(tài)。事實(shí)上人為地減少熵的唯一方法就是將能量注入到一個(gè)系統(tǒng)中，“欺騙”第二定律是通過(guò)增加系統(tǒng)外部的熵來(lái)增加系統(tǒng)內(nèi)的熵(打掃房子就是一個(gè)例子)，簡(jiǎn)而言之，熵永遠(yuǎn)不會(huì)被破壞。
圖注：黑洞質(zhì)量是事件視界半徑的唯一決定因素，對(duì)于非旋轉(zhuǎn)的孤立黑洞而言。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們認(rèn)為黑洞是宇宙時(shí)空中的靜止物體。圖片信息及版權(quán)：SXS team; Bohn et al 2015
對(duì)于黑洞長(zhǎng)期以來(lái)的想法是：熵為零，但這是不對(duì)的。如果讓黑洞產(chǎn)生非零的熵，然后把這些物質(zhì)扔進(jìn)黑洞，熵就會(huì)上升或者保持不變，但永遠(yuǎn)不會(huì)下降。黑洞熵的概念可以追溯到約翰·惠勒，他當(dāng)時(shí)正思考一個(gè)物體在從事件視界外的觀察者角度進(jìn)入黑洞時(shí)會(huì)發(fā)生什么？從遠(yuǎn)處看，有些人會(huì)漸漸接近事件視界，由于引力紅移而變得更紅、并在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)到達(dá)視界，因?yàn)橄鄬?duì)論時(shí)間膨脹開始生效。因此從任何“掉落”的信息看來(lái)，信息似乎都被編碼在黑洞本身的表面積上。
圖注：在黑洞表面編碼的信息可以是比特信息，與事件視界的表面積成比例。圖片信息及版權(quán)：T.B. Bakker / Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam
由于黑洞質(zhì)量決定了事件視界的大小，因此這為黑洞的熵提供了一個(gè)自然的位置：事件視界的表面區(qū)域突然間產(chǎn)生了巨大的熵，基于量子比特的數(shù)量可以被編碼在一個(gè)特定大小的事件視界上。但是任何有熵的東西都有溫度，這意味著它是輻射的。正如霍金所證明的：黑洞會(huì)釋放出特定(黑體)光譜和溫度的輻射，這是由黑洞的質(zhì)量所決定的（即霍金輻射）。
隨著時(shí)間的推移，能量的釋放意味著黑洞正在失去質(zhì)量（愛(ài)因斯坦著名的E = mc^2（質(zhì)能方程）），如果能量被釋放，它必須來(lái)自某個(gè)地方，而“某處”必定是黑洞本身。隨著時(shí)間的推移，黑洞將會(huì)越來(lái)越快地失去質(zhì)量，直到遙遠(yuǎn)的未來(lái)，黑洞會(huì)完全蒸發(fā)。
圖注：在一個(gè)永恒黑暗的背景下，將會(huì)出現(xiàn)一道光芒：宇宙中最一個(gè)黑洞的蒸發(fā)。圖片信息及版權(quán)：ortega-pictures / pixabay
這是一個(gè)偉大的故事，但有一個(gè)問(wèn)題：黑洞發(fā)出的輻射是純黑體，也就是說(shuō)它具有相同的性質(zhì)，就像取一個(gè)完全黑的物體，然后把它加熱到一個(gè)特定的溫度。因此對(duì)于特定質(zhì)量的所有黑洞，輻射是完全相同的——而這是最重要的：不管信息是什么或沒(méi)有在事件視界上留下印記，根據(jù)熱力學(xué)定律，這是不可能的！這相當(dāng)于摧毀信息。
圖注：任何燃燒的東西似乎都會(huì)被摧毀，但如果能追蹤從火中出來(lái)的一切，理論上所有關(guān)于未燃燒狀態(tài)前的東西都是可以恢復(fù)。
如果你燃燒兩本大小相同的書但有不同的內(nèi)容，可能實(shí)際上無(wú)法重建任何一本書的文字，紙張上的墨水圖案，分子結(jié)構(gòu)的變化以及其他微小差異都包含信息，并且該信息仍然編碼在煙霧，灰，周圍空氣和所有其他正在傳播的粒子。如果能夠以任意精確的方式監(jiān)控書籍周圍的環(huán)境并包括書本，就能夠重新構(gòu)建你想要的所有信息，信息會(huì)混亂，但不會(huì)丟失。然而黑洞信息悖論是：在黑洞視界上留下的所有信息一旦蒸發(fā)，在我們可觀測(cè)宇宙（即哈勃體積直徑約1000億光年）中不會(huì)留下任何痕跡（故不能被重建）。
圖注：黑洞模擬衰變不僅會(huì)導(dǎo)致輻射的釋放，而且會(huì)使大多數(shù)物體保持穩(wěn)定的中央軌道質(zhì)量衰減。黑洞不是靜態(tài)的物體，而是隨時(shí)間變化的。然而不同材料形成的黑洞在其視界上應(yīng)該有不同的信息編碼。圖片信息及版權(quán)：EU's Communicate Science
這種信息丟失應(yīng)該被量子力學(xué)的規(guī)則所限制，任何系統(tǒng)都可以用量子波函數(shù)來(lái)描述，每個(gè)波函數(shù)都是唯一的。如果在時(shí)間上發(fā)展量子系統(tǒng)，兩種不同的系統(tǒng)不可能達(dá)到相同的最終狀態(tài)，但這正是信息悖論所暗示的。據(jù)目前所知，有兩件事必須發(fā)生：
1、當(dāng)黑洞蒸發(fā)時(shí)，任何信息都會(huì)以某種方式被破壞，告訴我們有關(guān)于黑洞蒸發(fā)的新規(guī)則和規(guī)律
2、或者釋放出的輻射包含了這些信息、這意味著霍金輻射比我們迄今為止所做的計(jì)算還要多。
這個(gè)悖論在它第一次被發(fā)現(xiàn)到限制40多年后的今天仍然沒(méi)有得到解決。
圖注：貫穿整個(gè)空間的量子漲落的例證。如果這些波動(dòng)是由黑洞產(chǎn)生的，那么在黑洞中發(fā)出的霍金輻射，就有可能被保存在一個(gè)事件視界上。圖片信息及版權(quán)：NASA/CXC/M.Weis
雖然霍金的原始計(jì)算表明：通過(guò)霍金輻射蒸發(fā)會(huì)破壞黑洞事件視界上的任何信息，但現(xiàn)代認(rèn)為必須在出輻射中編碼這些信息。許多物理學(xué)家喜歡全息原理，指出編碼在黑洞表面上的信息對(duì)純粹熱霍金輻射狀態(tài)進(jìn)行量子校正，當(dāng)黑洞蒸發(fā)掉并且事件視界縮小時(shí)，將其自身特征印在輻射上。盡管霍金，約翰普雷斯基爾，基普索恩，杰拉德霍夫特和倫納德蘇斯金德在這個(gè)問(wèn)題上下了賭注并宣布勝利和失敗，但這個(gè)悖論仍然非常活躍熱熱門并且沒(méi)有解決。
圖注：黑洞事件視界是一個(gè)球形或球形區(qū)域，從中不會(huì)有任何物體甚至光也不能逃脫。但在事件視界之外，黑洞被預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)出輻射。1974年霍金是第一個(gè)證明這一點(diǎn)的人。圖片信息及版權(quán)：NASA; J?rn Wilms (Tübingen) et al.; ESA
盡管科學(xué)家盡了最大的努力，但目前是仍然不了解信息是否在輻射能量（和質(zhì)量）時(shí)從黑洞中“泄漏”出來(lái)。如果黑洞泄露了信息，目前還不清楚這些信息是如何泄漏出去的。也許這就是人們希望在科學(xué)中實(shí)現(xiàn)的最偉大的遺產(chǎn)：發(fā)現(xiàn)一個(gè)如此復(fù)雜的新問(wèn)題，以至于需要多代人才能達(dá)成解決方案。在這種特殊情況下，大多數(shù)人都認(rèn)同解決方案應(yīng)該是什么樣子，但是沒(méi)有人知道如何實(shí)現(xiàn)。直到解決之前，黑洞信息悖論仍然是霍金與世界分享無(wú)與倫比神秘禮物的另一部分。
知識(shí)：科學(xué)無(wú)國(guó)界，博科園-科學(xué)科普
