雖然物理學告訴我們,信息既不能被創造也不能被摧毀(如果信息可以被創造也可以被摧毀,那么物理學的整個存在理由,即預測未來事件或確定現有情況的原因,將是不可能的),但它并不要求信息是可訪問的。幾十年來,物理學家一直認為,落入黑洞的信息仍然存在,仍然存在,只是被鎖在了視線之外。
這很好,直到20世紀70年代,斯蒂芬·霍金發現了事件視界的秘密復雜性。事實證明,這些黑暗的野獸并不像我們所相信的那樣簡單,黑洞的視界是整個宇宙中引力與量子力學明顯相遇的少數幾個地方之一。
統一量子力學和引力的探索可以追溯到一個多世紀前,在這兩個偉大的物理學領域發展之后不久。阻礙它們統一的是數學中無限的泛濫。只要引力在小尺度上變得強大,我們的方程就會發散到無窮大,并給出無用的無結果。但現在我們在黑洞的邊界,根據定義,這里是強引力的地方。由于事件視界是數學構造,而不是具有有限范圍的實際表面,因此要真正理解它們,我們必須從微觀上研究它們,從而將它們牢牢地置于量子領域。
小尺度的強重力。當我們的數學爆炸時,黑洞肯定不會。一定有什么東西將引力和量子力學結合起來,某種數學技巧或物理洞察力的壯舉,無論完成這項任務的是什么,都是在宇宙中每個黑洞的視界上完成的。
霍金等人在20世紀70年代開始了一個項目,利用黑洞事件視界在極端條件下研究引力和量子力學的結合本質,希望能梳理出它們結合的一些線索。雖然這個項目還沒有充分發揮其潛力,但霍金確實發現了一些關于黑洞的非凡之處,就好像它們還不夠非凡一樣。
他發現,嚴格來說,黑洞并不是100%黑的。當黑洞誕生時,通過現實的量子本質和視界形成的奇異相互作用,它們能夠發射少量的輻射。確切地說,來自黑洞的輻射量幾乎為零。例如,一個質量是太陽幾倍的典型黑洞,每年大約會發射一個光子。所以你不太可能用你家后院的望遠鏡找到一個發光的黑洞(而且由于宇宙實際上充滿了輻射,黑洞目前消耗的遠遠超過它們發射的)。
這種輻射,現在被稱為霍金輻射,以紀念斯蒂芬,在廣義相對論和無毛定理所描繪的黑洞的原始圖景中,是如何破壞的。讓我們假設你給自己造了一個黑洞,把足夠多的物質壓縮到一個足夠小的體積里,一個黑洞就出現在你面前。構建黑洞消耗了大量關于曾經享有自由的所有粒子的信息,而所有這些信息現在都安全地隱藏在事件視界后面。
然后你把黑洞與任何生長源隔離開來:沒有物質,沒有輻射,沒有能量供它享用。黑洞適時地發出霍金輻射,每次吐出一個光子。每次發射,黑洞都會損失一點質量(畢竟,天下沒有免費的午餐,總得有人為宇宙中這種新發現的輻射埋單)。最終,如果你等待的時間足夠長,黑洞會完全蒸發,消失在一團高能輻射中。
一個問題。霍金輻射毫無特征。在物理學術語中,我們說發射是熱的,這是另一種說法,它不包含唯一信息。你可以坐在自制的黑洞前記錄下每一個霍金輻射粒子的能量和動量,直到它在10100年后自行坍縮,你除了知道黑洞確實在特定溫度下蒸發這個愚蠢的事實外,什么也學不到。
這就是黑洞信息悖論,一個困擾理論物理學半個多世紀的悖論,這個悖論的解決方案在于量子引力的未知領域,這個解決方案有望帶來對物理學的新理解:信息進入黑洞。沒有任何信息出來。霍金輻射使黑洞蒸發。黑洞消失了。信息是不能被銷毀的,那么這些信息都去哪兒了呢?
霍金的推理中一定有缺陷,因為宇宙容不得悖論。當兩個對立的群體無法達成妥協時,政治革命就會發生:利益和目標的悖論。當兩個對立的事實無法找到一條共同的線索時,科學革命就會出現:推理和演繹的悖論。
我就直說了。在寫這篇文章的時候,我們還沒有/確認/商定的、經過測試的、可靠的解決黑洞信息悖論的方法。但我們確實有一系列有趣的線索,數學上的蛛絲馬跡似乎把我們帶到了某個地方,還有一些暗示的東西就在地平線上閃閃發光。