本週，物理學界對斯蒂芬·霍金解決了著名的黑洞資訊悖論，甚至發現了“逃離黑洞的方法”的訊息議論紛紛。然而，這些令人興奮的宣告有些為時過早——這個悖論看起來具有永續性。
劍橋大學物理學家霍金在 20 世紀 70 年代首次揭示了這個難題，當時他預測黑洞——本應是無法逃脫的引力陷阱——實際上會洩漏光，稱為霍金輻射。從理論上講，隨著時間的推移，黑洞會釋放出如此多的輻射，以至於完全蒸發。然而，這個結果提出了一個問題，因為它似乎表明黑洞會摧毀資訊——根據量子力學理論，這絕對是不可接受的。
一個悖論
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黑洞和所有其他事物一樣，應該保留其形成的量子力學記錄。例如，黑洞可能源於一顆大型恆星的死亡，這顆恆星耗盡了核聚變燃料並在自身引力作用下坍縮。根據量子力學，黑洞應該儲存關於產生它的恆星以及之後落入其中的任何物質的資訊。但是，如果黑洞有一天蒸發了，那麼資訊似乎就會被摧毀。
物理學家們試圖找到一種方法，讓資訊透過霍金輻射逃脫黑洞的消亡。然而，這種情況的問題在於，黑洞似乎沒有辦法將資訊傳遞給這種輻射。事實上，根據廣義相對論（首先預測了黑洞的存在），黑洞是非常簡單的物體。它們只有三個屬性：質量、電荷和角動量；除了這些量之外，它們沒有其他特徵，沒有其他細節——用物理學家的行話來說，它們“沒有毛髮”。
霍金在 8 月 25 日於斯德哥爾摩皇家理工學院的一次演講中，公佈了資訊丟失悖論的潛在“答案”——一種賦予黑洞毛髮的方法：“我提出資訊不是像人們可能期望的那樣儲存在黑洞內部，而是儲存在其邊界，事件視界上，”他說。事件視界是黑洞的理論邊界，是進入物質的球形“不歸路”。霍金進一步提出，資訊存在於事件視界上的所謂“超平移”中，這些超平移是會在霍金輻射發射的粒子的位置或時間上引起偏移的印記。這些超平移將由死亡恆星的粒子以及首次穿過事件視界時落入黑洞的任何其他物質形成。霍金承認資訊不易檢索，但堅持認為至少不會被摧毀，從而解決了悖論。“關於進入粒子的資訊被返回，但以一種混亂的無用形式，”他說。“出於所有實際目的，資訊都丟失了。”
“更大的困惑狀態”
大多數物理學家認為，現在判斷霍金的想法是否是真正的進步還為時過早。他的演講很簡短；他和兩位合作者——劍橋大學物理學家馬爾科姆·佩裡和哈佛大學的安德魯·斯特羅明格——計劃在未來幾個月發表一篇論文，進一步詳細闡述他們的想法。“我認為[這個想法]很有希望，”北歐理論物理研究所的物理學家薩賓·霍森菲爾德說，她參加了這次演講。“但到目前為止，它還不是一個完整的解決方案。”
霍金描述了他的想法背後的基本原理，即超平移可以編碼資訊。“可能如此，”霍森菲爾德補充說，“但目前尚不清楚這如何發生以及效率如何。此外，他們儲存資訊的機制實際上允許他們儲存過多的資訊！”
超平移絕不是唯一的解決方案。近年來，物理學家們提出了許多想法來解決——或進一步複雜化——資訊丟失悖論。“老實說，我必須說[這個悖論]現在比以往任何時候都更加混亂，”瑞典烏普薩拉大學的物理學家烏爾夫·丹尼爾森觀察到，他參加了這次演講。“霍金說他已經解決了資訊悖論，對我來說，這意味著現在又出現了一個新的要素，問題是：這實際上會解決任何問題，還是隻會讓我們陷入更大的困惑？我真的不確定。”
更大的謎團
無論霍金的設想會發生什麼，這個話題都將繼續成為物理學界的熱門問題。這個問題不僅僅是對黑洞的晦澀考慮——它與關於宇宙的本質和起源的更大謎團息息相關。為了回答這個問題，物理學家可能不僅需要更好地理解黑洞，還需要完整的量子引力理論——一個迄今為止仍然缺失的理論。
黑洞之所以令人費解，部分原因是它們呼叫了兩種不同的自然理論——量子力學（支配亞原子世界）和廣義相對論（描述引力並在大型宇宙尺度上占主導地位）。然而，這兩種理論從根本上是互不相容的。物理學家需要的是一種根據量子規則描述引力的方法。透過同時呼叫量子力學和相對論，資訊丟失悖論“給了我們一個機會來關注我們知道的和我們不知道的，並試圖弄清關於量子引力的不同假設的含義，”安大略省 Perimeter 理論物理研究所的物理學家李·斯莫林說。
斯莫林和霍森菲爾德最近合作撰寫了一篇評論文章，總結了資訊丟失難題的所有各種可能的解決方案，並得出結論，它們主要分為六類，每類都採取不同的方法來解決明顯的悖論。一種可能性是資訊確實被摧毀了——也許量子力學的禁令是錯誤的。另一種可能性是在黑洞內部，一個新的時空區域形成了一個類似嬰兒宇宙的東西，資訊在其中被儲存下來。其他解決方案涉及稱為“白洞”的理論物體——白洞是黑洞的反面，其中時間流向相反，沒有東西可以落入，只能向外流出（包括資訊）。還有一種可能是黑洞永遠不會完全蒸發——它們只會縮小到非常小的尺寸，從而儲存資訊。或者，也許資訊以某種方式從黑洞內部複製到外部，因此當黑洞被摧毀時，外部副本仍然存在。最後，還有一些提議認為資訊以各種方式編碼在黑洞的視界上——霍金的想法屬於這一類。“我認為真實情況不幸的是，我們有一個難題，我們有幾種解決方法，但我們只是瞭解得不夠，”斯莫林說。“甚至可能在自然界中存在不同種類的黑洞，有些以一種方式解決難題，而另一些則以另一種方式解決。”
無論解決方案如何，它都可能不僅影響黑洞，還可能影響一個理論上相關的事件——大爆炸。黑洞的小而緻密的狀態與我們宇宙誕生時的假定情況非常相似，並且許多相同的物理考慮因素都適用。在這兩種情況下，數學目前都預測存在“奇點”——一個時空點，它是無限緻密且無限小的。一些物理學家說這些無窮大證明方程是錯誤的，而另一些物理學家則堅持認為奇點是物理現實。如果資訊丟失悖論的解決方案來自消除奇點的量子引力理論，那麼它可能暗示我們宇宙的不同起源。“時間是否仍然有第一個時刻，”斯莫林問道，“或者奇點是否被消除並變成反彈，以至於在大爆炸之前存在一個宇宙時代？”