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什么是“黑洞火墙悖论”和“信息丢失悖论”?

“爱因斯坦说“上帝不掷骰子”似乎是个双重错误。上帝不仅会掷骰子,有时还会把它扔到看不见的地方,让我们感到困惑。”——史蒂芬·霍金

黑洞自从被提出以后,一直就得到了人们广泛的关注,从理论到证实其存在再到第一张照片我们花费了数十年的时间,但有时我们普通人觉得黑洞已经没啥可说的了,感觉已经对它很了解了。但是往往我们觉得越了解的东西,其实我们对它越不了解。有句话说的好:我们知道的越少,疑问也就越少。

黑洞其实是我们最不了解的一个奇异天体,它是检验我们目前所有理论的理想场所,但是当我们将目前以掌握的理论应用在黑洞上的时候就会出现很多的悖论,也就是各种理论不调和的现象就会出现。

例如:我们今天要说的两个问题:黑洞信息丢失悖论和黑洞火墙悖论。

理论上来讲,形成一个黑洞很容易,只需要将足够大的质量或者等量的能量压缩进一个体积足够小的空间内,就会得到一个黑洞,我们人类办不带,但在宇宙中,常以大质量恒星死亡时,以核坍缩的形式形成黑洞。如果一颗恒星的质量为太阳的20倍或更多,当它在II型超新星爆炸中结束生命时,就会产生一个黑洞。

一颗黑洞形成后,会随着时间的推移,不断的吞噬更多的物质或者与其他的黑洞合并,变为质量更大的黑洞,例如像银河系中心黑洞有数百万倍的太阳质量,而宇宙中最大的黑洞可以达到数十亿甚至数百亿倍的太阳质量。

由于黑洞内部的信息和外部是完全断开的,所以我们从黑面外面是无法知道一个黑洞是如何形成的,以及它们之间的组成有什么不同。只能知道黑洞以下几个特性:

黑洞的质量,

它的电荷,

以及它的角动量或自旋。

我们只能知道黑洞这些信息,其他一无所知。

如果我们制造了一个完全由中子构成的黑洞,那么它所携带的信息应该与由反中子构成的黑洞不同,或者与一个由电子或正电子构成的黑洞不同。“重子数”是量子宇宙中一个非常重要的信息,因为我们知道宇宙的重子数是守恒的,如果一个黑洞的重子数是10^58,而另外一个是0,虽然我们无法获取这些信息,但这些信息就应该以某种方式被保存了下来。下面再举个例子。

假设有一个东西掉进了黑洞。可能是一个质子,一个反质子,一个光子,两个光子等等。甚至可能是一个人!

在以上的东西掉入黑洞以后,黑洞的质量就会增加,但掉入黑洞的物质信息也会被编码到黑洞视界的表面。当一个物体(粒子、光子和人)穿过视界面的时候,外部的观察者会看到它们发出的光红移越来越大,光线变得越来越微弱、越来越黯淡、越来越红,但是在外部得观察者看来它们永远不会穿过视界面,而它们的信息就会被留在黑洞的表面,在那里永远存在。

如果黑洞可以永远存在,那么就不会有任何的信息悖论:有东西掉进啦,而关于这个东西是什么的信息就会留在黑洞的表面。

然后我们看看量子世界,这就是问题的根源所在。黑洞是一个巨大的引力源,所有的质量都被压缩在非常小的空间内,结果就造成了黑洞周围的空间被严重的弯曲,而量子世界在弯曲空间中的表现与在平坦空间中的表现不同。

具体来说,在平坦空间中存在非零的真空能量:粒子-反粒子对总是不断地产生和湮灭。在正常情况下,它们会存在很短的时间,然后再次湮灭消失在真空中。如果我们看“之前”和“之后”的状态,并不会发现有任何的不同。但在弯曲的空间中,如果粒子-反粒子对出现在视界面的两边,在极其罕见的情况下,这些虚拟粒子对中的一个会掉入黑洞内,而另外一个“虚粒子”会从黑洞中窃取能量变为一个实粒子,并于另外一个“反粒子”发生湮灭,产生一个黑体辐射光谱。

这是一个漫长而缓慢的过程:一个太阳质量的黑洞蒸发需要10^67年,一个超大质量黑洞蒸发需要10^100年,虽然时间长,但黑洞总是会消失的。这种霍金辐射是所有黑洞最终衰变的方式。

但是黑洞产生的这种辐射是随机的,不会携带进入黑洞内任何物质的信息,也就是说有信息进入了黑洞,但这些信息最终会随着时间消失。既然量子力学认为信息不应该这样摧毁,于是我们就有了一个悖论,这就是黑洞信息悖论!

通常的假设是,黑洞内部的信息必须被保留,而且黑洞的信息一定会以某种方式被编码到了发出的霍金辐射中,这样就能满足量子力学信息可以逃逸黑洞的要求了。但是具体以哪种方式被编码我们目前并不清楚,但是这样的假设又会把广义相对论放到了量子力学的对立面。

如果信息能被保存在黑洞的视界表面,并且被会编码到霍金辐射中发射出去,那么量子力学就认为,大量的信息在黑洞的视界面会形成一个高能量的帷幕,任何东西都不能穿过视界面落入黑洞。但在广义相对论中,根据等效原理,任何物体在穿过视界面的时候都不会感受到任何异常,我们无法区分是空间的扭曲还是由于加速度的作用,也就是说任何物体都可以穿越视界面,并不可避免的落入黑洞的中中心,这就又出现了黑洞火墙悖论。

霍金辐射的提出以下让众多的理论变得不可调和,其实这个问题就出在了视界事件面上,它让一个黑洞完全与外界发生了隔离,光线不能逃逸,信息不能正常逃离黑洞。于是霍金就提出了“灰洞”的概念,认为黑洞的事件视界面并不存在,取而代之的是表观视界面,光子可以携带信息被暂时的困在表观视界面内,但这个表观视界是并不会一直存在,它会在某个特定的时期消失(至于何时消失,在哪种作用下消失,霍金并没有提到),这样黑洞内的光子就可以携带信息逃逸出来,只是时间的问题。

这样就完全回避了“信息丢失悖论”和“黑洞火墙悖论”,如果霍金描述是正确的,曾经哪个让所有物体都无法逃逸的事件视界就不存在,取而代之的就是有时间寿命的表观视界,那么黑洞也就不存在。但也有很多人不同意这样的说法,总的来说这些问题目前都没有得到一个很好的解答,霍金的说法也在短时间内无法证实。

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