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黑洞資訊悖論

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質量達太陽10倍的黑洞之電腦模擬圖

黑洞資訊悖論英语:Black hole information paradox)起源於量子力學廣義相對論兩者的結合。其指出物理資訊可能永久消失於黑洞中,導致許多不同的物理狀態最終會變為相同的狀態,跟無毛定理的內涵相符合。這現象違反了一個科學上的宗旨,亦即原則上,由於量子決定性,一物理系統於某個時刻的完整資訊會決定其它任意時刻的狀態[1][2]。量子力學中的一項基礎假設指出:一系統的完整資訊涵蓋於其波函數,直到發生波函數塌縮。波函數的時間演化由么正算符來決定,而么正性暗示了量子世界資訊的保存[3]:2

主要原理[编辑]

未解決的物理學問題當資訊墜入黑洞中之後,會發生什麼事呢? Question mark2.svg

關於黑洞資訊悖論,有兩項原理主導:

  • 量子決定性:給定目前的波函數,透過演化算符可確定地預測出未來的波函數。
  • 可逆性:演化算符具有逆算符,因此過去的波函數與未來的波函數具有一樣的決定性。

這兩項原理的結合則表示資訊總是得以保存。

1970年代中期以來,史蒂芬·霍金雅各布·貝肯斯坦將基於廣義相對論與量子場論黑洞熱力學推展,發現其結果不只與資訊守恆律相矛盾,而且無法解釋資訊喪失的情形。霍金的計算指出,霍金輻射將導致黑洞蒸發而消失,輻射出來的粒子也不會攜帶任何黑洞內部的線索,導致其中的資訊將永遠消失[4][5]

今日許多物理學家相信全像原理(特別是AdS/CFT對偶)可指出先前霍金結果的錯誤,而資訊實際上是保存的[6]。2004年,霍金對先前索恩-霍金-普雷斯基爾賭局認輸,承認黑洞蒸發確實會保存資訊[7]

霍金輻射[编辑]

生成之後又完全蒸發殆盡之黑洞的彭罗斯图。掉進該黑洞的資訊會擊中奇異點。縱軸代表時間(由下而上);橫軸則代表空間(從左至右半徑從零開始擴增)

1975年,史蒂芬·霍金雅各布·貝肯斯坦提出黑洞會緩慢地向外輻射能量,導致了一個問題。由无毛定理,我們可推論霍金輻射完全與進入黑洞的物質不相關。然而,如果進入黑洞的物質是個純量子態,其狀態最終會被變換成為霍金輻射的混合態,進而毀滅原量子態的資訊。這違反了刘维尔定理對資訊守恆的預測並導致了物理上的悖論英语physical paradox[a][3]:2

更精確地說,若有個處於量子纏結的純量子態,且該纏結系統之一部分被拋入黑洞中,留下另一部分在黑洞外。現思考對應於這純態的密度算符,取這密度算符對於進入黑洞部分的偏跡數英语partial trace,則結果會顯示出,在黑洞外的部分處於混合態。但由於任何在黑洞內部的物體都會在有限時間內擊中引力奇点,取偏跡數的部分可能會從物理系統裏完全消失地杳然無蹤。

霍金相信黑洞热力学與无毛定理的結合會導致量子資訊被毀滅的結論。然而,約翰·普雷斯基爾英语John Preskill等物理學家則認為資訊不會在黑洞中消失,並為此和霍金與基普·索恩在1997年打了一場賭。這導致李奧納特·蘇士侃杰拉德·特·胡夫特對霍金的理論「宣戰」,蘇士侃並在2008年著書《黑洞戰爭英语The Black Hole War》專述此事。該書並特別說明這場「戰爭」純粹是科學上的爭論,而參與雙方仍舊是朋友[8]。該書以胡夫特提出、蘇士侃賦予弦論上詮釋的全像原理作為整場「戰爭」的總結[9]

目前,物理學界有數種解決此悖論的可能方案。自從1997年胡安·馬爾達西那提出AdS/CFT对偶之後,物理學家們大多認為資訊是守恆的,並且霍金輻射不完全是熱力學的,而是有著量子修正。此外還有其他的可能性,譬如說資訊在霍金輻射的末尾被保存在普朗克尺度殘餘,又或者量子力學定律的修正以允許非么正性的時間演變。

2004年7月,史蒂芬·霍金發表了一篇論文,其中提到事件視界量子微擾可能可以允許資訊從黑洞中逃出,並可能可以解決此悖論[10]。他的論述假設AdS 黑洞英语AdS black hole熱量子共形場論之AdS/CFT对偶的么正性。在宣布他的結論之後,霍金對先前的索恩-霍金-普雷斯基爾賭局認輸,並贈送普雷斯基爾一本棒球百科全書,因為「從中可以任意獲取資訊」[7]。然而,索恩並沒被霍金的證明所說服,因此並未對該賭局認輸。2015年3月17日,德揚·史杜高域(Dejan Stojkovic)與安舒爾·賽尼(Anshul Saini)發表在《物理评论快报》的論文表示,若考慮原先被忽略的粒子間交互作用,霍金輻射即能符合么正性,資訊因此不會喪失[5][11][12]。2015年8月25日,霍金在斯德哥爾摩皇家工学院發表演說,並認為資訊可能被儲存在事件視界上,即便原先攜帶該資訊的粒子已經墜入黑洞中,儲存在事件視界上的資訊則會隨霍金輻射重新釋放至外界[13]

根據羅傑·潘洛斯的說法,量子系統中么正性的喪失並不是一個問題,因為量子測量本身即不具備么正性。潘洛斯宣稱量子系統在重力的影響之下將不再具備么正性,而黑洞中正是如此。潘洛斯提出的共形循環宇宙學英语Conformal Cyclic Cosmology嚴重依賴於資訊在黑洞中喪失的條件。這個新形態的宇宙學模型可使用對宇宙微波背景辐射CMB)數據的詳細分析做測試。如果該理論是正確的,則宇宙微波背景辐射將展現溫度略高或略低的圓形模式。在2010年11月,潘洛斯和瓦赫·古爾扎江英语Vahe Gurzadyan宣布他們在威尔金森微波各向异性探测器毫米波段氣球觀天計畫測得的數據發現了此種圓形模式[14],但他們的結果仍正在处于爭論當中。

主要的幾種可能解答[编辑]

資訊永久喪失[编辑]

資訊隨黑洞蒸發逐漸釋出[编辑]

  • 優點:直觀上吸引人的,因為它性質上類似於古典燃燒過程中的資訊恢復。
  • 缺點:與古典和半古典重力理論(不允許資訊從黑洞內部漏出)有著較大的差異,即便在巨觀黑洞的情形之下[b][15][16]

資訊在黑洞蒸發殆盡時瞬間釋出[编辑]

  • 優點:只在量子引力作用主宰時,才會與古典和半古典重力理論有較明顯的差異。
  • 缺點:在資訊釋出前的瞬間,一個極小的黑洞需要有能力儲存任意量的資訊,而這違反了貝肯斯坦上限[15][16]

資訊被儲存在普朗克尺度殘餘[编辑]

  • 優點:不需要任何的資訊釋出機制。
  • 缺點:為了容納從任何已蒸發黑洞而來的資訊,此類殘餘需要無限數目的內部態。有人認為,這將有可能產生無限對的該種殘餘的量,因為它們從低能有效理論的角度來看很小,而且具備不可區別性[15][16][17]

資訊被儲存在從本宇宙分離的子宇宙[编辑]

  • 優點:此為愛因斯坦-嘉當理論所預測的情形,該理論將廣義相對論擴展至具有內生角動量[c]的物質,而且沒有違反已知的任何物理定律。
  • 缺點:愛因斯坦-嘉當理論難以被測試,因為該理論的預測與廣義相對論所預測的相異處僅存在於極高密度時[16][18]

資訊被儲存在未來與過去之間的關聯[编辑]

  • 優點:半古典重力即已足夠。也就是說,這不需要用到尚未被研究透徹的量子引力細節部分。
  • 缺點:違背人們的直觀認知,亦即自然是隨著時間演變的實體[19][20]

參見[编辑]

註釋[编辑]

  1. ^ 在量子力學中,資訊的守恆被表示為量子系統隨時間的演化遵守么正性,因此一個純量子態只會轉變成另一個純量子態,而不會轉變成混合態,除非受到外界的干擾。
  2. ^ 物理學家們多認為古典和半古典重力理論在巨觀黑洞應是良好的近似。
  3. ^ 自旋

參考資料[编辑]

  1. ^ Hawking, Stephen. The Hawking Paradox. Discovery Channel. 2006 [2013-08-13]. (原始内容存档于2013-08-02) (英语). 
  2. ^ Overbye, Dennis. A Black Hole Mystery Wrapped in a Firewall Paradox. New York Times. 2013-08-12 [2013-08-12]. (原始内容存档于2012-06-18) (英语). 
  3. ^ 3.0 3.1 Baocheng Zhang; Qing-yu Cai; Ming-sheng Zhan; Li You. An interpretation for the entropy of a black hole (PDF). 2011-02-25 [2015-08-28]. arXiv:1102.5144 (英语). 
  4. ^ Hawking, Stephen. Particle Creation by Black Holes. Commun. Math. Phys. 1975-08-01, 43 (3): 199–220 [2013-08-13]. Bibcode:1975CMaPh..43..199H. doi:10.1007/BF02345020. (原始内容存档于2015-08-26) (英语). 
  5. ^ 5.0 5.1 許瑞福. 硬碟掉入黑洞,D槽裡的電影還會在嗎?. PanSci 泛科學. 2015-04-14 [2015-08-28]. (原始内容存档于2015-08-28) (中文(台灣)‎). 
  6. ^ Barbón, J. L. F. Black holes, information and holography. J. Phys.: Conf. Ser. 2009, 171 (1): 1. doi:10.1088/1742-6596/171/1/012009. (原始内容存档于2015-08-26) (英语). The most important departure from conventional thinking in recent years, the holographic principle...provides a definition of quantum gravity...[and] guarantees that the whole process is unitary. 
  7. ^ 7.0 7.1 Mark Peplow. Hawking changes his mind about black holes. Nature (Macmillan Publishers). 2004-07-15 [2015-08-28]. doi:10.1038/news040712-12. (原始内容存档于2014-02-22) (英语). 
  8. ^ Susskind, Leonard. The Black Hole War: My Battle with Stephen Hawking to Make the World Safe for Quantum Mechanics. Little, Brown. 2008-07-07: 10 [2015-04-07]. ISBN 9780316032698 (英语). It was not a war between angry enemies; indeed the main participants are all friends. But it was a fierce intellectual struggle of ideas between people who deeply respected each other but also profoundly disagreed. 
  9. ^ Susskind Quashes Hawking in Quarrel Over Quantum Quandary. CALIFORNIA LITERARY REVIEW. 2008-07-09. (原始内容存档于2012-04-02) (英语). 
  10. ^ Baez, John. This Week's Finds in Mathematical Physics (Week 207). [2011-09-25]. (原始内容存档于2014-06-12). 
  11. ^ Charlotte Hsu. Black holes don't erase information, scientists say. phys.org. 2015-04-02 [2015-08-28]. (原始内容存档于2015-07-11) (英语). 
  12. ^ Anshul Saini; Dejan Stojkovic. Radiation from a Collapsing Object is Manifestly Unitary. Physical Review Letters (American Physical Society). 2015-03-17, (114) [2015-08-28]. doi:10.1103/PhysRevLett.114.111301. (原始内容存档于2015-08-28) (英语). 
  13. ^ Rachel Feltman. Stephen Hawking believes he’s solved a huge mystery about black holes. The Washington Post. 2015-08-25. (原始内容存档于2015-08-26) (英语). On Tuesday, he explained his new theory: "I propose that the information is stored not in the interior of the black hole as one might expect, but in its boundary, the event horizon," Hawking said. 
  14. ^ Gurzadyan, V. G.; Penrose, R. Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity 1011: 3706. 2010. Bibcode:2010arXiv1011.3706G. arXiv:1011.3706 (英语). .
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 15.3 Giddings, Steven B. The black hole information paradox. Particles, Strings and Cosmology. Johns Hopkins Workshop on Current Problems in Particle Theory 19 and the PASCOS Interdisciplinary Symposium 5. 1995. arXiv:hep-th/9508151 (英语). 
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外部連結[编辑]