黑洞資訊悖論
黑洞資訊悖論(英語:)起源於量子力學與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
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? |
關於黑洞資訊悖論,有兩項原理主導:
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·霍金與雅各布·貝肯斯坦將基於廣義相對論與量子場論的黑洞熱力學推展,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
1975年,史蒂芬·霍金與雅各布·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[lower-alpha 1][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,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·蘇士侃與杰拉德·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》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,其中提到事件視界的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 黑洞與熱量子共形場論之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()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·古爾扎江宣布他們在威尔金森微波各向异性探测器與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],但他們的結果仍在处于爭論當中。
主要的幾種可能解答
資訊隨黑洞蒸發逐漸釋出
- 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[lower-alpha 2][15][16]。
資訊在黑洞蒸發殆盡時瞬間釋出
資訊被儲存在普朗克尺度殘餘
資訊被儲存在從本宇宙分離的子宇宙
- 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[lower-alpha 3]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]。
註釋
參考資料
- Hawking, Stephen. . Discovery Channel. 2006 [2013-08-13]. (原始内容存档于2013-08-02) (英语).
- Overbye, Dennis. . New York Times. 2013-08-12 [2013-08-12]. (原始内容存档于2012-06-18) (英语).
- Baocheng Zhang; Qing-yu Cai; Ming-sheng Zhan; Li You. (PDF). 2011-02-25 [2015-08-28]. arXiv:1102.5144. (原始内容存档 (PDF)于2018-01-05) (英语).
- Hawking, Stephen. . 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).
- 許瑞福. . PanSci 泛科學. 2015-04-14 [2015-08-28]. (原始内容存档于2015-08-28) (中文(台灣)).
- Barbón, J. L. F. . J. Phys.: Conf. Ser. 2009, 171 (1): 1 [2015-05-01]. 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.
- Mark Peplow. . 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).
- Susskind, Leonard. . Little, Brown. 2008-07-07: 10 [2015-04-07]. ISBN 9780316032698. (原始内容存档于2016-06-16) (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.
- . CALIFORNIA LITERARY REVIEW. 2008-07-09 [2015-08-26]. (原始内容存档于2012-04-02) (英语).
- Baez, John. . [2011-09-25]. (原始内容存档于2014-06-12).
- Charlotte Hsu. . phys.org. 2015-04-02 [2015-08-28]. (原始内容存档于2015-07-11) (英语).
- Anshul Saini; Dejan Stojkovic. . 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).
- Rachel Feltman. . The Washington Post. 2015-08-25 [2015-08-26]. (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.
- Gurzadyan, V. G.; Penrose, R. 1011: 3706. 2010. Bibcode:2010arXiv1011.3706G. arXiv:1011.3706 (英语)..
- Giddings, Steven B. . . Johns Hopkins Workshop on Current Problems in Particle Theory 19 and the PASCOS Interdisciplinary Symposium 5. 1995. arXiv:hep-th/9508151 (英语).
- Preskill, John. . International Symposium on Black Holes, Membranes, Wormholes, and Superstrings. 1992. arXiv:hep-th/9209058 (英语).
- Giddings, Steven B. . Phys Rev D. 1998. Bibcode:1994PhRvD..49.4078G. arXiv:hep-th/9310101. doi:10.1103/PhysRevD.49.4078 (英语).
- Nikodem J. Popławski. . Physics Letters B. 2010, 694 (3): 181–185. Bibcode:2010PhLB..694..181P. arXiv:1007.0587. doi:10.1016/j.physletb.2010.09.056 (英语).
- Hartle, James B. . Black Holes and Relativistic Stars. 1998: 195. Bibcode:1998bhrs.conf..195H. arXiv:gr-qc/9705022 (英语).
- Nikolic, Hrvoje. . Physics Letters B (Phys. Lett.). 2009, 678 (2): 218–221. Bibcode:2009PhLB..678..218N. arXiv:0905.0538. doi:10.1016/j.physletb.2009.06.029 (英语).
外部連結
- Black Hole Information Loss Problem:一個USENET上的物理學常見問題解答頁面。(英文)
- Preskill, John. . An international symposium on Black Holes. 1992: 22. Bibcode:1993bhmw.conf...22P. arXiv:hep-th/9209058.:有關此悖論的各種解決方案之討論以及它們各自表面上的缺點。(英文)
- 《自然》上有關霍金2004年提出的理論的報導页面存档备份,存于(英文)
- Hawking, S. W. (July 2005), Information Loss in Black Holes, arxiv:hep-th/0507171页面存档备份,存于:霍金對黑洞么正性悖論的解答。(英文)
- Hawking and unitarity页面存档备份,存于:有關資訊悖論的探討以及霍金相關的工作。(英文)
- The Hawking Paradox - BBC Horizon documentary (2005)页面存档备份,存于(英文)
- 互联网电影数据库(IMDb)上《"Horizon" The Hawking Paradox》的资料(英文)(英文)
- A Black Hole Mystery Wrapped in a Firewall Paradox(英文)