如果说2016年是引力波的一年,2017年是中子星合并的一年,那么2018年就注定是黑洞的一年。因为事件视界望远镜预计将在今年发表银河系中心的超大质量黑洞的第一张照片,无论结果是意料之中还是意料之外,都将打开黑洞研究的新篇章。但我们没有想到的是,在短短的两个月内,黑洞领域的三位大师却相继离我们而去。2月2日,著名的弦理论家约瑟夫·玻尔钦斯基因癌症而与世长辞。2月6日,唐纳德·林登贝尔在家中去世。
3月14日,噩耗再次传来。而这次,离开我们的是继爱因斯坦之后,最家喻户晓的物理学家——斯蒂芬·霍金。而他留下的,却是一个已经困扰了物理学家44年的谜题。
霍金的突破虽然解决了熵的问题,但它却带来了一个更加艰深的问题。如果黑洞会辐射,那些粒子会逐渐带走黑洞的质量,并最终完全消失,这个现象即所谓的黑洞蒸发。现在,让我们试想一个简单的思想实验:将一本书丢进黑洞。
书中携带着信息,可以是关于物理的,也可以是一本浪漫的爱情小说。但就目前所知,无论是什么掉进黑洞,释放出来的霍金辐射都是一样的。我们无法根据逃离的粒子重建书上的信息。显然,信息随着黑洞蒸发会完全丢失。但如果是这样,它就违反了量子力学的核心原理。
黑洞信息丢失悖论的诞生使我们面临着一个尖锐的矛盾:要么对量子力学进行修正,允许信息丢失;要么修正广义相对论,允许信息从黑洞内部逃逸出来。
很快,物理学家便开始站队。在1976年的一篇论文中,霍金认为当黑洞的质量随着辐射逐渐消失时,也带走了黑洞内的所有信息,尽管量子力学明确禁止信息丢失。在长达近30年的时间里,霍金都在思考着如何扩展量子理论。但到了1992年,为了拯救量子力学,物理学家提出了一种新的可能性:互补原理。根据这个思想,越过事件视界的信息即会被反射回来,也会进入黑洞内,但绝不会消失。
为了解决悖论,三个假设中的其中一个必须被牺牲掉,至于是哪个物理学家还没有达到共识。最简单的解决方案是让等效原理在事件视界处失效,从而导致火墙的出现。但在这几年,还有许多其它可能的方案被提出。例如,霍金自己在2014年初发表的论文中指出或许事件视界根本不存在,因此也没有所谓的火墙。他认为表观世界才是黑洞的真正边界。
信息只是暂时的被限制在该边界后面,最终仍会逃离,但逃脱的信息却被严重打乱了,因此永远无法破解。
也正是因为黑洞滋生着悖论,才促使物理学家不断地去思考理解这个宇宙的最基本假设。毫不夸张的说,是霍金的发现驱动了过去四十年理论物理学的发展。我们并不知道黑洞信息悖论何时会被解决,也不知道最终的量子引力理论将带给我们怎样的变革,更不知道上帝究竟在黑板上写了什么。接下来,我们需要做的是,站在巨人的肩膀上,继续前行。