你可能認(rèn)為，擺脫地球引力需要耗費(fèi)很多能量，但與宇宙中很多其他天體相比，地球的引力顯得微不足道。這個(gè)話同樣適用于太陽(yáng)、銀河系甚至是像中子星這樣的極端天體。讓我們想象一下，太空中有一個(gè)很小的緊致域，充滿了大量的物質(zhì)和能量，以至于必須以超過(guò)光速的速度才能逃脫它的引力。它就是黑洞，一個(gè)引力大到任何東西（甚至包括光）都無(wú)法逃逸的區(qū)域。
黑洞通常是因?yàn)槌筚|(zhì)量恒星的內(nèi)核塌縮而形成，擁有極端的性質(zhì)，不可避免地塌縮成一個(gè)奇點(diǎn)，沒(méi)有哪種已知物質(zhì)（甚至包括基本粒子）能夠逃離它?？臻g維度的數(shù)量減少成一個(gè)點(diǎn)或者環(huán)，已知的物理定律不再奏效。
黑洞令我們不解的地方在于進(jìn)入黑洞內(nèi)部的信息。在我們所知的宇宙中，物質(zhì)和能量的某些性質(zhì)包含了信息。像質(zhì)子和電子這樣的粒子不僅包含了質(zhì)量、電荷和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還包含了其他量子性質(zhì)，比如重子數(shù)、輕子數(shù)、弱強(qiáng)荷和色荷，以及將一個(gè)粒子與另一個(gè)粒子連接起來(lái)的量子糾纏。如果你用各種粒子來(lái)制造黑洞（粒子數(shù)通常約為10的58次方個(gè)），每個(gè)粒子都擁有自己獨(dú)特的性質(zhì)，包括質(zhì)子、電子、中子、光子、中微子、反中微子、正電子和其他，那么你會(huì)認(rèn)為那些信息也隨之進(jìn)入了黑洞。
但黑洞沒(méi)有這些信息。據(jù)我們所知，黑洞只有三種性質(zhì)：質(zhì)量（根據(jù)進(jìn)入黑洞的物質(zhì)和能量總數(shù)而定）、電荷和角動(dòng)量（描述黑洞的旋轉(zhuǎn)）。
那么，那些信息去哪里了？從理論上來(lái)講，因?yàn)檎：阈撬s而形成的黑洞，其包含的信息應(yīng)該大大不同于因?yàn)椋ɡ碚撋希┓次镔|(zhì)恒星塌縮而形成的黑洞。然而，黑洞根本沒(méi)有那些信息！如果有兩個(gè)完全相同的黑洞，我們向其中一個(gè)添加一些中子，向另一個(gè)添加數(shù)量相等的質(zhì)子和電子，直至兩個(gè)黑洞的質(zhì)量再次相同，那么它們應(yīng)該擁有不同的性質(zhì)，因?yàn)樗鼈儞碛胁煌闹刈樱ê洼p子）數(shù)?？墒牵覀冎肋@種差異并不存在。它們沒(méi)有什么不同。
你可能認(rèn)為，黑洞的事件視界將解答上述問(wèn)題，因?yàn)槟莻€(gè)特殊的位置——光能夠和不能夠逃逸之間的界限——似乎是“冰凍的世界”，落進(jìn)黑洞的任何東西總是會(huì)把編碼信息留在事件視界表面，這個(gè)特性在1939年被發(fā)現(xiàn)。但在1974年，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）證明這種學(xué)說(shuō)不夠充分。在足夠長(zhǎng)的時(shí)間里，宇宙的量子性質(zhì)，以及粒子-反粒子波動(dòng)在事件視界的彎曲空間中發(fā)生的事實(shí)，意味著黑洞將發(fā)出黑體熱輻射，最終導(dǎo)致了它們的衰減。
霍金輻射的量子起源
這對(duì)于物理學(xué)而言是個(gè)重要的問(wèn)題，因?yàn)槁淙牒诙吹牧孔有畔?yīng)該是被保存的物理量之一。但黑洞發(fā)出的東西（黑體熱輻射）卻沒(méi)有包含那些信息！
這就是黑洞信息悖論。我們?nèi)绾谓鉀Q它？物理學(xué)家普遍認(rèn)為，肯定有某種我們不知道（或許需要一種關(guān)于引力的量子理論）的方法，把事件視界表面“被冰凍”的信息融入到黑洞發(fā)出的輻射中。是這樣嗎？如果是，這是如何發(fā)生的？答案是沒(méi)人知道。史蒂芬·霍金在8月底的重要聲明充其量只能算是向答案邁出了一小步，但很可能是個(gè)死胡同，就像這方面的大多數(shù)假說(shuō)一樣。
每當(dāng)偉大理論所預(yù)測(cè)的內(nèi)容之間發(fā)生沖突時(shí)：
一、肯定有某些物理量被保存了下來(lái)；
二、一個(gè)系統(tǒng)的終態(tài)所包含的被保存物理量在數(shù)量上不同于初態(tài)。
理論沖突是科學(xué)進(jìn)步的前兆。這個(gè)悖論之所以重要，因?yàn)樗嬖V我們，我們現(xiàn)在所知的東西在某個(gè)方面是不完整的。是否有未知的物理定律？我們是否錯(cuò)過(guò)了已知定律的一個(gè)新應(yīng)用？那些物理量是否根本沒(méi)有被保存下來(lái)？信息是否真的通過(guò)某種方式被編入到終態(tài)中？量子引力是否最終將說(shuō)明這一切？
我們希望找到問(wèn)題的答案。但同時(shí)，這個(gè)悖論意味著我們遇到了一個(gè)問(wèn)題，因此我們需要學(xué)習(xí)更多的東西。對(duì)于想了解宇宙科學(xué)真相的人來(lái)說(shuō)，黑洞信息悖論是個(gè)不可思議的東西，它證明我們還有很多東西需要弄明白。
譯 于波 校 李其奇
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