光都无法从黑洞逃脱,那黑洞蒸发是怎么回事?黑洞怎么会变小呢?

光都无法从黑洞逃脱,那黑洞蒸发是怎么回事?黑洞怎么会变小呢?

2004年7月21日,在爱尔兰首都都柏林举行的“第十七届国际广义相对论和万有引力”大会(GR17大会)上,《时间简史》的作者、英国剑桥大学富有传奇色彩的理论物理学家史蒂芬·霍金,向来自世界各地齐聚一堂的科学家和记者宣布,他解决了物理学中重要的一个问题：黑洞究竟有没有破坏被其吞噬的信息.
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大会上,霍金演讲了他的最新发现,他宣告推翻了自己若干年前建立的著名黑洞理论,并重新讨论了信息守恒的问题.
“30年来,这个一直困扰着我的问题终于得到解决,这真是太好了,”霍金在演讲中这样说道.他的有关论文将在近日发表,他将在论文中进一步阐释他的新理论.
黑洞不破坏因果律,不再可能帮我们通向其它的宇宙
史蒂芬·霍金的讲话在整个物理界掀起了轩然大波.加拿大滑铁卢大学物理系主任罗伯特·曼博士,与在会的其他800名物理学家一起听取了霍金的演讲.
“听完他的讲话后,几乎无人能够理解他所说的内容,大概只有霍金自己明白这些东西.”罗伯特·曼这样评价这场天才的演讲.它让人联想到当年“全世界只有3个人理解相对论”的情形.
罗伯特·曼尽量用生动、浅显的语言来解释霍金理论的前后不同.
“40年前,人们开始认真思考黑洞,认为外人(黑洞外的观测者)能够获得黑洞仅有的信息就是质量、电荷、角动量,这意味着,如果你用任何一种物质来做成黑洞,比如压碎的听装啤酒瓶、压扁的恒星、还是其它什么,外人都无法分辨出黑洞里面到底是什么东西.”
“霍金30年前的理论认为,从量子力学的角度来考虑,黑洞能够辐射(即著名的霍金辐射).由于量子作用,啤酒黑洞物质、恒星黑洞物质等都开始辐射,开始蒸腾、四溢.问题在于,霍金原先的计算显示了蒸腾完全属于热效应,这就意味着它不应该包含任何信息——即啤酒黑洞物质和恒星黑洞物质的辐射没有任何差别.所以,当黑洞变得越来越小,最后蒸发到没有时,就意味着已经丢失了全部信息.并且,到了变化的末端,已经无法复原那些信息.”
这种理论从诞生之初就遇到了麻烦：它同很多科学家坚持的“信息守恒定律”互为矛盾.这一度被人们称为“黑洞悖论”.
如同19世纪的科学家断定了能量守恒定律一样,20世纪的许多科学家提出了信息守恒一说——假如这个说法成立,那么“信息守恒定律”无疑将成为科学界最为重要的定律,也许比物质、能量守恒定律的意义更为深远.霍金的黑洞理论引起的激烈争执就是“信息”在黑洞中是否能够保存、守恒.
罗伯特·曼介绍说,大多数的物理学家都认为,任何信息都不能被破坏,否则将违背因果律,“出于对因果关系的深信不疑,在给出初始条件的情况下,物理学的工作就是通过过去预知未来.”这意味着,如果信息被破坏了——如同霍金30年前的理论所说,未来就根本无法通过信息来预知.
30年间霍金坚持：“信息守恒定律”在黑洞里失效.“在黑洞里,信息确实丢失了.如果它丢失了,它会进入另外一个空间,这个空间称作婴儿宇宙,顾名思义,婴儿宇宙来自我们的这个宇宙.”
但现在霍金宣布,他使用欧氏路线积分数学方法,证明出新的答案——信息进入黑洞之后并未被破坏掉,“如果你进入一个黑洞,你所承载的物质和能量将被返回我们的宇宙……它已经被撕裂,但包含了所有你的信息,只是不再被我们轻易辨识.”
“新的理论经过进一步推测还将得到另一个结论：它意味着,黑洞不再可能帮我们通向其它的宇宙,或者通向我们宇宙的其他角落——这是霍金以前提出来的说法.”罗伯特·曼说.
“我很抱歉,我让科幻爱好者们失望了.”霍金在演讲中这样说.
霍金愿赌服输,胜者兴味索然
对于霍金宣告自己原先的黑洞理论“突然死亡”一事,他在剑桥大学的同事加里·吉本斯认为,这件事的发生真是让物理学家“大跌眼镜”,“要知道霍金做学问的方式是相当戏剧化的：他会提出一条理论,并且在它被其他更好的论证推翻之前,一直坚持到底.”
霍金如果放弃他原先的黑洞理论,还将输掉一场赌赛.这是一个相当有趣的故事.
1997年,霍金和来自加利福尼亚理工学院的两位科学家奇普·梭恩、约翰·普里斯基尔为各自的黑洞理论设下了一场赌局：霍金和奇普·梭恩认为黑洞会将信息尽收腹中而永远不会释放；约翰·普里斯基尔则认为黑洞具有一些不为人知的筛孔,信息将通过这些筛孔安全撤离黑洞.胜利方将获得自己选择的一套百科全书.
普里斯基尔教授在他的个人网页上用形象、生动的语言介绍了这个赌局及其背后的深奥理论：
“霍金原先的黑洞蒸发——消失理论是一个了不起的见识,理论物理界的很多人很多年后才完全意识到霍金所提出的这个问题的深度.他的理论曾经在基础物理界引发了一场真正的危机,让我们看起来不得不至少放弃一条我们所珍爱的信仰.为此,霍金还提出过激进的建议,认为需要修改量子理论的基础.”
现在,在都柏林的会场上,霍金在这场赌局中做出了让步.
然而普里斯基尔并没有因为自己赢得赌赛而兴奋,“史蒂芬心灵的改变令我惊讶；为什么这个新观点如此强大而令他甘愿推翻自己已经锲而不舍地坚持将近30年的立场,对于我来说,还不清楚其中的原因.”
普里斯基尔说,这甚至令他有些许难过：在过去的这些年里,史蒂芬和他就黑洞信息之谜有过很多讨论,他一直享受着这些讨论所带来的乐趣,并从中学到东西,即使他们在讨论中彼此意见不和.
“我们现在真的站到了一个立场上,将来也许会发现别的可以争论的东西,但没有什么像黑洞信息问题这样更深刻有趣了.”
不过,普里斯基尔对他赢得的战利品倒是很满意：霍金赠给他一套棒球百科全书.
仅仅是数学结论?一切依然是未知数
原先站在霍金一边的奇普·梭恩还拒绝认输.“我还需要看到更多的叙述才会让步,”但他又补充道：“不过我觉得斯蒂芬的决定多半是正确的.”
奇普·梭恩不愿马上认输的原因很简单：他和他的打赌对手普里斯基尔都没有理解霍金的新理论,他如果现在认输,究竟输在哪儿都不知道.
同样,普里斯基尔也还不知道自己为什么赢了.霍金在演讲中表示,他的最新计算显示了视界(即黑洞的表面),充满了“量子扰动”.而这恰恰和量子力学的核心理论之一、著名的海森堡测不准原理所阐述的内容相似——这些量子扰动能够使得被黑洞吸收的信息逐渐释放出来,这样,原先“黑洞悖论”的结就很自然地打开了.
“我并不完全同意他的新观点.我希望霍金在一个月左右后发表的论文里,能提供他在发言中未能透露的细节.我有一种强烈的感觉,霍金的新方法,即使它被广泛地接受,也将会留下挥之不去的关于信息是通过怎样清晰的路径而逃逸的问题.”普里斯基尔说.
参加了GR17大会的一些物理学家仍然支持史蒂芬早先的观点,对他推翻自己的说法很是悲伤.其他物理学家则纷纷质疑霍金是否真正解决了“黑洞悖论”这个由来已久的问题.“这还不能让我信服,”来自密尔沃基的威斯康星州大学的物理学家约翰·弗来德曼在接受美国《科学》杂志采访时,对霍金使用的数学方法(欧氏路线积分法)提出质疑.
量子领域的理论学家有时会乐意采用这种欧氏路线积分法来解决离子和场中的问题.但是,这种方法有时会遇到无穷极限的问题,这是大多数引力理论学家尽量避免使用这种方法的原因.他们更愿意选择一些更加直接的数学方法,例如洛伦兹函数来计算引力问题.目前,还没有人能够证明这两种方法最后能够获得同样的计算结果.
弗来德曼说,如若不然,那么霍金的结论至多只能是一个数学答案,而非一条普遍定律.
尽管如此,如同罗伯特·曼所说,无论最终的结果怎样,霍金的新理论不会影响到今天中午你将吃些什么,但是他的新思想却一定会是人类想象力的又一道美妙大餐.