原先，人們認(rèn)為，所有的物質(zhì)和能量經(jīng)過黑洞時都會永遠(yuǎn)地消失。40年前，人們開始認(rèn)真地思考黑洞，認(rèn)為，外人——黑洞外的觀測者能夠獲得的黑洞的信息只有質(zhì)量、角動量、電荷。這意味著，如果你用任何一種物質(zhì)來做成黑洞，比如用壓碎的聽裝啤酒瓶、壓扁的恒星、還是其它什么，外人都無法分辨出，黑洞里面到底是些什么東西。 然而，在1974年，霍金結(jié)合量子力學(xué)和相對力學(xué)的理論，指出，黑洞并非全黑——黑洞能夠輻射，這就是著名的霍金輻射。黑洞在輻射過程中，將能量輻射出去。這意味著，黑洞將逐漸縮小，并在最后的爆炸中，結(jié)束生命。
霍金30年前的理論認(rèn)為，從量子力學(xué)的角度來考慮，黑洞是能夠輻射的。由于量子作用，啤酒黑洞物質(zhì)、恒星黑洞物質(zhì)等都會輻射、蒸騰、四溢。問題在于，霍金原先的計算顯示了，其蒸騰完全屬于熱效應(yīng)。這就意味著，它不應(yīng)該包含任何的信息，即啤酒黑洞物質(zhì)和恒星黑洞物質(zhì)的輻射沒有任何的差別。所以，當(dāng)黑洞變得越來越小，最后蒸發(fā)到?jīng)]有時，這就意味著，它已丟失了全部的信息。并且，到了變化的末端時，它已無法復(fù)原那些信息?！?/p>
30年來，霍金堅持認(rèn)為，“信息守恒定律”在黑洞里失效。“在黑洞里，信息確實丟失了。如果它丟失了，它會進(jìn)入另外一個空間，這個空間稱作嬰兒宇宙，顧名思義，嬰兒宇宙來自我們的這個宇宙?！?從上可見，說黑洞完全看不見是不對的，至少不是全對的。但又認(rèn)為，黑洞的信息的確是很難出來的。 這種理論從誕生之初就遇到了麻煩：它同很多科學(xué)家堅持的“信息守恒定律”互為矛盾，這個問題曾一度被人們稱之為“黑洞佯謬（悖論）”。
霍金的黑洞理論引起的激烈爭執(zhí)就是，“信息”在黑洞中是否能夠保存、守恒。大多數(shù)的物理學(xué)家都認(rèn)為，任何信息都不能被破壞，否則將違背因果律，“出于對因果關(guān)系的深信不疑，在給出初始條件的情況下，物理學(xué)的工作就是通過過去預(yù)知未來?！?這意味著，如果信息被破壞了——如同霍金30年前的理論所說的，未來就根本無法通過信息來預(yù)知。
2004年7月21日，在愛爾蘭都柏林舉行的“第17屆國際廣義相對論和萬有引力大會”上，英國傳奇科學(xué)家霍金教授宣布了他對宇宙黑洞的最新研究結(jié)果，霍金表示自己原來的觀點錯了，信息應(yīng)該守恒：黑洞并非如他和其他大多數(shù)物理學(xué)家以前認(rèn)為的那樣，對其周遭的一切“完全吞食”，事實上被吸入黑洞深處的物質(zhì)的某些信息實際上可能會在某個時候釋放出來：信息守恒。
原因是先前把黑洞想得太理想化了，把黑洞熱輻射也想得太理想化了。不過，霍金一直沒有給出嚴(yán)格的證明來支持自己的新觀點。索恩表示此事不能由霍金一個人說了算，他仍堅持信息不守恒的看法。普瑞斯基則表示沒有聽懂霍金的演講，不明白自己為什么贏了。目前，這一牽扯到量子論基礎(chǔ)的敏感問題還遠(yuǎn)未解決。
黑洞不僅僅是一顆死亡了的星體，它具有豐富的內(nèi)涵。黑洞的霍金輻射理論表明，黑洞不僅具有一般的力學(xué)性質(zhì)，而且具有量子性質(zhì)和熱性質(zhì)。如果黑洞的輻射譜為嚴(yán)格的黑體譜，則黑洞輻射過程中信息丟失。Parikh和Wilczek認(rèn)為，黑洞的霍金輻射的確可以看成是一種量子效應(yīng)，但輻射粒子貫穿的勢壘不是預(yù)先存在的，而是由出射粒子自身產(chǎn)生的，他們的研究結(jié)果支持信息守恒。
黑洞理論的研究已經(jīng)超出了黑洞本身，它不僅通過信息疑難觸及了量子論的重要基石——幺正性，而且掀開了探討時間性質(zhì)的新篇章。
黑洞內(nèi)部有一個奇點，那是時間終結(jié)的地方。大爆炸宇宙有一個初始奇點，那是時間開始的地方。彭羅斯和霍金曾經(jīng)證明過一個“奇性定理”，該定理表明，任何一個真實的時空都一定存在奇點，即一定存在時間有開始或終結(jié)的過程。時間有沒有開始和結(jié)束，原本是哲學(xué)家和神學(xué)家議論的話題，現(xiàn)在經(jīng)過對黑洞和宇宙的研究，這一話題被納入了物理學(xué)的領(lǐng)域。
宇宙學(xué)家相信，太空中有許多類型的黑洞，從質(zhì)量相當(dāng)于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超級黑洞，不一而足?？茖W(xué)家過去認(rèn)為，從巨大的星體到星際塵埃等，一旦掉進(jìn)去，就再不能逃出，就連光也不能“幸免于難”。而霍金教授關(guān)于黑洞的最新研究有可能打破這一結(jié)論。經(jīng)過長時間的研究，他發(fā)現(xiàn)，一些被黑洞吞沒的物質(zhì)隨著時間的推移，慢慢地從黑洞中“流淌”出來。
霍金關(guān)于黑洞的這一新理論解決了關(guān)于黑洞信息的一個似是而非的觀點，他的劍橋大學(xué)的同行都為此興奮不已。過去，黑洞一直被認(rèn)為是一種純粹的破壞力量，而現(xiàn)在的最新研究表明，黑洞在星系形成過程中可能扮演了重要角色。
2013年5月14日，美國引力基金會宣布，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所張保成、蔡慶宇、詹明生和清華大學(xué)尤力教授合作完成的題為“信息守恒是基本定律：揭示霍金輻射中丟失的信息”的論文榮獲本年度引力論文比賽第一名。
本篇獲獎文章首先從量子信息的角度闡述了信息守恒是自然界的必然要求。隨后，結(jié)合作者之前的工作，即在隧穿輻射的物理圖像下，證明了黑洞輻射之間存在攜帶信息的關(guān)聯(lián)以及整個輻射過程中熵守恒，文章指出信息守恒仍然是自然界的基本定律，即使黑洞這樣的強引力體系也莫能例外。在文中，結(jié)合他們最近的理論研究結(jié)果，作者還分析了如何進(jìn)一步在實驗中檢驗黑洞信息丟失問題，并且指出一旦LHC實驗中觀測到高能粒子碰撞產(chǎn)生的小黑洞，并且輻射粒子能量的協(xié)方差和理論計算結(jié)果一致，則可以在實驗上進(jìn)一步確認(rèn)黑洞信息守恒。在理論上證明黑洞信息守恒，這不僅進(jìn)一步展示了量子力學(xué)的普適性，而且對構(gòu)建量子力學(xué)與引力的統(tǒng)一理論具有重要的啟示作用。
1976年，霍金稱自己通過計算得出結(jié)論，他認(rèn)為黑洞在形成過程中，其質(zhì)量減少的同時還不斷在以能量的形式向外界發(fā)出輻射。這就是著名的“霍金輻射”理論。但是，理論中提到的黑洞輻射中并不包括黑洞內(nèi)部物質(zhì)的任何信息，一旦這個黑洞濃縮并蒸發(fā)消失后，其中的所有信息就都隨之消失了，這便是所謂的“黑洞佯謬”。
這種說法與量子力學(xué)的相關(guān)理論出現(xiàn)相互矛盾之處。因為現(xiàn)代量子物理學(xué)認(rèn)定這種物質(zhì)信息是永遠(yuǎn)不會完全消失的。近30年來，霍金試圖以各種推測來解釋這一自相矛盾的觀點。霍金曾表示，黑洞中量子運動是一種特殊情況，由于黑洞中的引力非常強烈，量子力學(xué)在此時已經(jīng)不再適用了。但是霍金的這種說法并沒有得到科學(xué)界眾多持懷疑態(tài)度學(xué)者的信服。
如今，霍金終于給了這個當(dāng)年自相矛盾觀點一個更具有說服力的答案?；艚鸱Q，黑洞從來都不會完全關(guān)閉自身，他們在一段漫長的時間里逐步向外界輻射出越來越多的熱量，隨后黑洞將最終開放自己并釋放出其中包含的物質(zhì)信息。
盡管這一重大研究成果還沒有公開以論文的形式發(fā)表，已經(jīng)在學(xué)術(shù)界引起了軒然大波?；艚鹪趧虼髮W(xué)的同事、著名的物理理論學(xué)家佩里博士表示，“霍金在這次研討會上提出的觀點也許是一種可行的解決方案。但是具體是否能得到最終認(rèn)可，我看還需要由大家說了算?！钡J(rèn)為，霍金最新的研究成果將可以和30年前發(fā)表的“霍金輻射”相媲美。
另一位物理學(xué)家卡特勒在接受《新科學(xué)家》雜志的訪問時說：“霍金發(fā)出了一個信息，他似乎在說'我已經(jīng)解決了黑洞理論中的矛盾之處，我想就此發(fā)表一些新的看法’。但是我們作為該信息的接受者，預(yù)先卻并沒有看到任何有關(guān)的書面闡述。作為對霍金本人的尊重，根據(jù)他的名譽，我只能暫且先接受這種說法?！笨茖W(xué)家們都期待著明天的學(xué)術(shù)會議上，霍金教授對他全新成果的完整闡釋。
對于霍金教授拋出的黑洞新論，中國黑洞研究專家，北京師范大學(xué)的趙崢教授說，目前霍金關(guān)于黑洞的最新研究成果只有媒體消息，學(xué)術(shù)論文還沒有發(fā)表，所以這一新的理論還有待證實。專家指出，上世紀(jì)70年代，霍金提出的“黑洞熱輻射”理論是20世紀(jì)最杰出的理論物理成就之一，但當(dāng)時這一理論的一些觀點受到了量子物理學(xué)者的質(zhì)疑，科學(xué)家們認(rèn)為被黑洞“吞掉”的物質(zhì)的信息最終將會隨黑洞一起消失，在量子物理的角度上是無法解釋的。為此，30年來學(xué)術(shù)界一直存在著爭論，此次霍金提出的新觀點───黑洞在某一時間，將會把它吞掉的信息釋放出來，從表面上看彌補了他以前理論的缺陷，但是這也不足以肯定這一理論就是正確的。趙教授解釋，物質(zhì)所包含的信息并不像質(zhì)量或能量一樣具有守恒的性質(zhì)，因此霍金此前的信息消失理論并不是完全無法接受的。
從20世紀(jì)60年代到80年代，黑洞研究取得了重大進(jìn)展。最初人們認(rèn)為黑洞是一顆死亡了的星體，什么東西都可以掉進(jìn)去，但任何東西都跑不出來。1974年霍金證明黑洞有溫度、有輻射?；艚疠椛涞陌l(fā)現(xiàn)使黑洞和霍金本人都變得家喻戶曉。
20世紀(jì)80年代以后，黑洞研究的重點逐漸從溫度轉(zhuǎn)向信息佯謬。人們早已知道，黑洞外部觀測者會失去形成黑洞以及后來落入黑洞的物質(zhì)的幾乎全部信息，這就是“無毛定理”。所謂“毛”是指“信息”。黑洞只剩下總質(zhì)量、總電荷和總角動量3根“毛”可以被外界探知。人們最初認(rèn)為，雖然外部觀測者不能探知黑洞內(nèi)部物質(zhì)的信息，但這些信息并沒有從宇宙中消失，只不過隱藏在了黑洞的內(nèi)部?；艚疠椛浒l(fā)現(xiàn)之后，人們知道黑洞中的物質(zhì)最后將全部轉(zhuǎn)化為熱輻射，而熱輻射幾乎不帶出任何信息。這樣，形成和落入黑洞的物質(zhì)的信息將從宇宙中消失，信息不再守恒，不僅重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒等定律不再成立，量子論的幺正性也將受到破壞。面對如此嚴(yán)重的理論困難，物理學(xué)家展開了激烈的爭論。理論物理學(xué)家大都相信信息守恒，堅信幺正性這一量子論的基石不會被破壞?？傊?，信息應(yīng)該守恒。以霍金和索恩為代表的相對論專家則認(rèn)為信息不一定守恒，幺正性完全有可能被破壞。為此，霍金和索恩與堅信信息守恒的普瑞斯基打賭。
“這種理論從誕生之初就遇到了麻煩：它同很多科學(xué)家堅持的"信息守恒定律"互為矛盾。這一度被人們稱為"黑洞佯謬”。
如同19世紀(jì)的科學(xué)家斷定了能量守恒定律一樣，20世紀(jì)的許多科學(xué)家提出了信息守恒一說——假如這個說法成立，那么"信息守恒定律"無疑將成為科學(xué)界最為重要的定律，也許比物質(zhì)、能量守恒定律的意義更為深遠(yuǎn)?；艚鸬暮诙蠢碚撘鸬募ち覡巿?zhí)就是“信息在黑洞中是否能夠保存，守恒”。
信息守恒定律內(nèi)容：信息是不滅的，既不能憑空產(chǎn)生，也不會自動消滅。它就象種子里面基因一樣，存在隱性和顯性等多種形式。種子里的基因是一種隱性的形式，長成植株是基因表達(dá)成顯性形式，因其植株藍(lán)圖的信息早就存在于基因里面。19世紀(jì)時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律。如同19世紀(jì)時科學(xué)家確定能量守恒一樣，20世紀(jì)的許多科學(xué)家提出了信息守恒。假如這個說法成立，那么，無可疑問，“信息守恒定律”將成為科學(xué)界最為重要的定律。也許，信息守恒定律比質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律的意義更為深遠(yuǎn)。
信息守恒定律的另一種表述方式：總的流進(jìn)系統(tǒng)的信息必等于總的從系統(tǒng)中流出的信息，加上系統(tǒng)內(nèi)部信息的變化；信息能夠轉(zhuǎn)換，從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種狀態(tài)，而總的信息量保持不變。引申出“熵守恒”，即廣義信息守恒。
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