黑洞战争,霍金也有认输的时候!

2016-09-18作者:张天蓉编辑:清华大学出版社

黑洞的引力是如此之巨大,尺寸又是如此之小,对引力的量子理论跃跃欲试的理论物理学家们,自然而然地将手伸进了这个迷宫。


70年代初,理论物理学家Jacob Bekenstein研究了黑洞的熵及其热力学性质;霍金则提出黑洞也有辐射,即霍金辐射。



霍金认为,在黑洞的事件视界边缘,由于真空涨落,将不断发生粒子反粒子对的产生和湮灭。因为处于视界边缘,很大的可能性,这两个粒子中的一个将掉入黑洞,另一个则表现为像是黑洞的辐射。由于这种被称之为霍金辐射的现象,黑洞将不断地缓慢地损失能量。最终的结果会导致所谓的“黑洞蒸发”而消失不见。


既然霍金开了一个头,将量子论引入了黑洞研究中,人们便蜂拥而至。然而,至今40年过去了,除了遭遇到许多困难,提出了几个悖论之外,可以说成果甚少。


首先,黑洞由星体塌缩而形成,形成后能将周围的一切物体全部吸引进去,因而黑洞中包括了大量的信息。而根据“霍金辐射”的形成机制,辐射是由于真空涨落而随机产生的,所以并不包含黑洞中任何原有的信息。但是,这种没有任何信息的辐射最后却导致了黑洞的蒸发消失,那么,黑洞原来的信息也都全部丢失了。可是量子力学认为信息不会莫名其妙地消失。这就是黑洞的信息悖论。


此外,形成“霍金辐射”产生的一对粒子是互相纠缠的。量子纠缠态是量子理论最基础的概念之一,已经被各种实验所证实。处于量子纠缠态的两个粒子,无论相隔多远,都会相互纠缠,即使现在一个粒子穿过了黑洞的事件视界,也没有理由改变它们的纠缠状态,这点显然与相对论预言的结果相矛盾。


黑洞战争


理论物理学家们一直为解决信息悖论及与黑洞相关的其它问题而努力,提出了各种方案和理论。



美国斯坦福大学教授伦纳德•萨斯坎德(Leonard Susskind,1940年-)是一个幽默风趣的美国理论物理学家,颇有理查德•费曼的风格。据萨斯坎德自己回忆,因为高中时候是一个“坏小子”而大学阶段学了工程,后来才立志成为一个理论物理学家。萨斯坎德是弦论的创始人之一,他著有一本《黑洞战争》,精彩地描述了物理学界30年来有关黑洞本质特性的一场论战。论战中的一方是萨斯坎德和1999年诺贝尔物理奖得主,荷兰物理学家赫拉德•特霍夫特,另一方则是公众熟悉的霍金。


霍金提出了霍金辐射以及黑洞蒸发的理论,造成信息悖论。然而,萨斯坎德等意识到,这种观点不符合量子力学,将使物理学陷入危机。而萨斯坎德等认为,并非理论本身有问题,而是由于霍金对量子论的概念有错而造成的危机。


黑洞的确是一个令物理学家们着迷而又困惑的研究对象。物理学家霍金似乎已经成了大众心目中“黑洞”一词的代表,将他视为研究黑洞的最高权威。然而,你可能没有听说过,霍金因为对黑洞问题的理解上3次与物理学界的同行们打赌,但有趣的是,每次都以霍金输掉赌局而告终。


在当今世界上研究引力理论的众多物理学家当中,美国理论物理学家基普•索恩(Kip Stephen Thorne,1940- )(《星际穿越》电影的科学顾问)被认为是权威之一。索恩是加州理工学院教授,和费曼一样,他也是当年约翰•惠勒在普林斯顿大学的博士学生之一。索恩喜欢以黑洞问题为目标与人打赌,而且每次都赢。除了其中的三次赢了霍金之外,还有最早一次是赢了印度裔美国物理学家、诺贝尔物理奖得主钱德拉塞卡,那次,他们是就黑洞稳定性的问题打赌。


由此可知索恩对黑洞概念功底之深。1997年,索恩与霍金就以上所述的黑洞信息丢失问题打赌。霍金认为黑洞蒸发后信息没有了,而索恩和普雷斯基尔认为黑洞可以隐藏它内部的信息。三人打赌的赌注是一本百科全书。


黑洞信息悖论实质上也是因为广义相对论与量子理论的冲突而产生的,霍金站在广义相对论一边,萨斯坎德等则站在量子论一边,索恩和普雷斯基尔其实都算是引力方面专家,不过,他们独具慧眼,将赌注下到了萨斯坎德一边。


萨斯坎德和特霍夫特从计算黑洞熵而悟出了一个全息原理,从而解释了信息悖论。全息原理认为,信息不会丢失,黑洞的边界储存了进到黑洞中的包括物质组成和相互作用的所有信息。


另外,萨斯坎德热衷于互补原理。类似于量子力学中认为光“既是波又是粒子”互补的观点,萨斯坎德认为黑洞内外的两个观测者观察到的现象也是互补的。换言之,物质落入黑洞的过程,完全可以用边界上的量子理论来理解和描述。物理学家们使用全息原理直接计算出了多种黑洞的熵,计算表明霍金蒸发并非随机的,其中包含了进入黑洞的物质的所有信息。全息原理的成功,使得霍金本人也认输了。


2004年一次广义相对论和引力国际会议上,霍金宣布,黑洞的演化是符合因果律的,并没有丢失信息,他承认输掉了这场赌赛。


内容来源:书问

作者张天蓉
出版清华大学出版社
定价35元
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