破解黑洞信息丟失之謎

                                                             ——訪中科院武漢物數(shù)所副研究員蔡慶宇

        “黑洞信息丟失”問題是上世紀(jì)70年代霍金在解決黑洞熱力學(xué)問題時引入量子概念而導(dǎo)致的，幾十年來一直是困擾理論物理學(xué)家、高能物理學(xué)家的不解之謎。最近，中科院武漢物理數(shù)學(xué)所博士研究生張保成、副研究員蔡慶宇等人提出了一種解決方案，為此，本刊記者借蔡慶宇來清華大學(xué)出差的機會采訪了他。
        記者：聽說最近你們提出了一種方案，解決了困擾物理學(xué)界30余年的黑洞信息丟失之迷，請詳細談?wù)勀銈兊南敕ā?/FONT>
        蔡慶宇：信息守恒是自然界的一個基本定律，這在經(jīng)典物理和量子物理世界里面都是有基本定律保證的。那么信息守恒究竟是什么意思呢？通俗地講，就是說，如果我們掌握了一個封閉系統(tǒng)演化的初始狀態(tài)，我們就能預(yù)言系統(tǒng)演化的將來的狀態(tài)；反之，我們也可以通過封閉系統(tǒng)現(xiàn)在的狀態(tài)去反推它過去的狀態(tài)。但是當(dāng)遇到黑洞的時候，這個定律被打破了。在上世紀(jì)70年代，霍金發(fā)現(xiàn)黑洞不論以什么樣的初態(tài)形成，它都將演化成一個唯一的終態(tài)，即熱態(tài)。這樣，信息在這個演化過程中丟失了，量子力學(xué)的幺正性被破壞了。
                                        
        但是這個結(jié)論很多物理學(xué)家是不能接受的。后來人們發(fā)現(xiàn)，霍金最初計算黑洞輻射的時候，沒有考慮反沖效應(yīng)，或者說是自引力效應(yīng)。他把時空背景當(dāng)成是固定的，因而能量守恒并沒有被維持。當(dāng)考慮能量守恒后，最近兩位科學(xué)家，派瑞克（M.K.Parikh）和瓦爾查克（F.Wilczek），重新計算了黑洞輻射，發(fā)現(xiàn)最終的輻射譜并不是一個純熱的譜?；谶@個工作，我們繼續(xù)討論了信息丟失的問題。
        我們的工作在黑洞輻射作為隧穿的圖像下，利用統(tǒng)計力學(xué)和量子信息的基本理論，證明了黑洞隧穿輻射過程是一個幺正過程。對于黑洞隧穿譜，在以前的研究工作中，物理學(xué)家認為輻射之間不存在關(guān)聯(lián)。我們首先使用標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計力學(xué)方法證明了輻射之間存在關(guān)聯(lián)，并且成功地應(yīng)用量子信息中互信息量理論，證明輻射之間的關(guān)聯(lián)可以攜帶信息。同時我們還證明，黑洞輻射整個過程中熵嚴(yán)格守恒。這樣一來，黑洞輻射過程中信息就不會丟失，幺正性被維持，從而解開了黑洞信息丟失之迷。我們的理論不僅適用于靜態(tài)的黑洞，也適用于穩(wěn)態(tài)的黑洞，甚至非對易的黑洞等其他類型的黑洞?？梢赃@么說，我們的理論給出了一個連續(xù)隧穿背景下普適的解決黑洞信息丟失問題的方法。在這個意義上，可以說，我們解決了這個長期以來困擾物理學(xué)界的難題。關(guān)于這方面的內(nèi)容，詳細的可以看我們的文章：Phys.Lett.B675,98,arXiv:0903.0893;arXiv：0906.5033。
        最后還要提一點的就是，2004年7月，霍金主動表示自己原來的觀點錯了，信息應(yīng)該守恒。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。為此，霍金曾在2005年的Phys.Rev.D（14，2460）上發(fā)表文章闡述他的新觀點，不過，他一直沒有給出嚴(yán)格的證明來支持自己的新觀點。
        記者：也就是說霍金發(fā)現(xiàn)黑洞輻射，導(dǎo)致了所謂的黑洞信息丟失之迷。那么關(guān)于這個問題的歷史上的一些情況，能否給我們介紹一下？
        蔡慶宇：你說的很對，“黑洞信息丟失之謎”就是“霍金輻射”帶來的。確切地說，這個謎指的是，不論最初形成黑洞的物質(zhì)狀態(tài)是什么，都將確定地演化為熱態(tài)。熱態(tài)意味著輻射之間不存在關(guān)聯(lián)，而且整個輻射過程中伴隨著熵增，這與量子力學(xué)的幺正性沖突，從而揭示了量子力學(xué)與引力理論(廣義相對論)之間潛在的沖突。一般來說，黑洞外面的熱態(tài)或混合態(tài)并不是問題，畢竟這只是量子系統(tǒng)的一部分，我們可以用量子力學(xué)的糾纏機制解釋，信息可能存儲在輻射的自由度和黑洞內(nèi)部自由度之間的關(guān)聯(lián)上。但黑洞最終會輻射完，這時只留下了熱輻射。這就是說，當(dāng)黑洞蒸發(fā)完后，我們即使收集到所有的黑洞輻射，可以使用任何的測量辦法，但是我們?nèi)匀徊豢赡塬@得哪怕一點的關(guān)于黑洞形成前物質(zhì)狀態(tài)的信息。換句話說，就是即使我們準(zhǔn)確知道最初的量子狀態(tài)，我們?nèi)匀徊荒軌蝾A(yù)言最終的量子狀態(tài)。這就是信息丟失之謎。這樣信息在物質(zhì)坍縮成黑洞后完全丟失了，信息不再守恒了，這和我們的直覺是大相徑庭的。我們都希望宇宙或自然是按照一種確定的方式演化的，以便我們總能夠通過某些途徑來了解過去所發(fā)生的事，或預(yù)見將來可能發(fā)生的事。但是霍金告訴我們，這些都不可能了，因為信息將會在宇宙演化中丟失掉。
        但是霍金的觀點遭到了一些物理學(xué)家的反對，為此霍金還和別的一些物理學(xué)家打賭。在關(guān)于信息到底守不守恒，量子力學(xué)的幺正性究竟對不對的問題上，以霍金和索恩 (K. S. Thorne) 為代表的相對論專家認為，信息不一定守恒，量子力學(xué)幺正性完全有可能被破壞。但普瑞斯基 (J. P. Preskill)不同意他們的觀點，認為信息一定守恒，量子力學(xué)幺正性一定成立。于是他們還和普瑞斯基打賭，賭注是一本《棒球百科全書》。
        在對這個問題的研究上，也產(chǎn)生了一些很有趣的理論。有一些科學(xué)家認為，黑洞不會完全蒸發(fā)，信息將會留在最后的殘余（remnant）中。但是這些殘余物是否能容納那么大量的信息，仍然有待商榷。還有一些科學(xué)家認為，黑洞會有一些“量子毛”（quantum hair）來記錄原來認為丟失了的信息。但是我們?nèi)匀徊荒軌虼_定何種量子毛能攜帶這么大量的信息。更有趣的是，一些物理學(xué)家認為丟失的信息被完全轉(zhuǎn)移到“嬰兒宇宙”（baby universe）中，這個宇宙跟我們是不聯(lián)系的，因此我們并不能獲得任何關(guān)于黑洞最初形成時的信息。最近一種觀點也是非常有吸引力的，它將量子信息理論中“隱形傳態(tài)”（teleportation）的過程引入到黑洞的蒸發(fā)過程中，認為信息能夠通過隱形傳態(tài)的方式被轉(zhuǎn)移出來。但是我們?nèi)匀徊恢肋@種量子通道是怎么建立起來的，或者是否有這種量子通道。
        記者：但是，我的印象里，黑洞似乎并不能吐出任何東西，那么黑洞輻射又是怎么回事？
        蔡慶宇：經(jīng)典物理的理論中，黑洞的確是只吸收，不輻射的。對黑洞大規(guī)模的研究大概是在上世紀(jì)60年代展開的，人們從幾何和經(jīng)典物理學(xué)弄清楚了很多黑洞的性質(zhì)，但是還是一直認為黑洞只能吸收不能輻射。突破性的進展在70年代，惠勒的研究生貝肯斯坦（J.D.Bekenstein）在霍金提出的黑洞面積定律的基礎(chǔ)上，大膽猜測黑洞的表面積可能是熱力學(xué)的熵。所謂的熵就是測量一個物理學(xué)系統(tǒng)無序程度的量，跟微觀狀態(tài)數(shù)有關(guān)。但是大家都知道，一個物體如果有熵，就會有溫度，有了溫度就會有輻射，可是黑洞當(dāng)時還被認為是不輻射的。所以一開始，貝肯斯坦的建議遭到包括霍金在內(nèi)的一些科學(xué)家的反對。但是有趣的是，還不到一年的時間，霍金的態(tài)度就來了一個完全的轉(zhuǎn)變，他不僅承認了黑洞是個熱體，能夠向外輻射，而且還從理論上嚴(yán)格的證明了這種輻射的確存在。這就是著名的“霍金輻射”。
        在這個輻射理論中，霍金創(chuàng)造性的結(jié)合了廣義相對論、量子力學(xué)和熱力學(xué)，將真空場粒子漲落的概念引入到黑洞周圍的時空中。他認為一對粒子會在任何時刻、任何地點被產(chǎn)生，產(chǎn)生的粒子就是正粒子與反粒子。一般情況下，產(chǎn)生的正反粒子很快就會湮滅而不會引起任何可觀測的效應(yīng)。但是如果這一產(chǎn)生過程發(fā)生在黑洞附近的話，則會出現(xiàn)一種新奇的現(xiàn)象，即一個粒子可能被吸入黑洞，而另一個粒子則逃逸到無窮遠。這一現(xiàn)象可以被詳細的描述為：在黑洞附近產(chǎn)生的一對粒子，其中反粒子會被吸入黑洞，而正粒子會逃逸，由于能量不能憑空產(chǎn)生，我們設(shè)反粒子攜帶負能量，正粒子攜帶正能量，同時從無窮遠處觀測者的觀點來看，反粒子的所有運動過程可以視為一個正粒子的為之相反的運動過程，如一個反粒子被吸入黑洞，可視為一個正粒子從黑洞逃逸。這樣，無窮遠處的觀測者可以說，他看見一個攜帶著從黑洞里來的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的總能量少了，而愛因斯坦的質(zhì)能公式表明，能量的損失會導(dǎo)致質(zhì)量的損失，因此黑洞的質(zhì)量就減少了。這里描述的現(xiàn)象被稱為霍金輻射，它是一種普遍的黑洞現(xiàn)象，不僅存在于施瓦茲時空，也存在于克爾時空，甚至于克爾、紐曼（Newman）的時空。
        記者：提起“黑洞”，很容易讓人望文生義地想象成一個“大黑窟窿”，而有關(guān)“黑洞”早在十八世紀(jì)就被提了出來，請給我們介紹一下究竟應(yīng)該怎么理解黑洞？
        蔡慶宇：黑洞這個概念被大眾所熟識，應(yīng)該跟霍金的《時間簡史》有很大的關(guān)系。而這個概念的確是十八世紀(jì)末的時候就已經(jīng)有萌芽了。當(dāng)時光以有限速度傳播已經(jīng)為科學(xué)家們所熟知，根據(jù)這個，米歇爾（J.Michell）和拉普拉斯（P.Laplace）分別獨立的提出了黑洞的想法，當(dāng)時叫做暗星，英文名是darkstar。這個意思就說，一定存在這樣的星體，它的萬有引力強大到了可以把自身發(fā)射的光子拉回來，這樣，這顆星就成了外部觀測者看不見的暗星。他們還使用經(jīng)典力學(xué)的方法計算出來了此類星體的半徑，令人們驚奇的是，這個值竟然和100多年后施瓦茲（K.Schwarzschild）由廣義相對論計算得出的施瓦茲黑洞的半徑值完全一致。另外要補充的是，這樣的理論是建立在光的微粒說的基礎(chǔ)上的，后來楊氏雙縫干涉實驗促使光的波動說占了上風(fēng)，有關(guān)暗星的理論就逐漸被大家遺忘了。
        當(dāng)廣義相對論發(fā)表后，萬有引力被指出是時空彎曲的表現(xiàn)。很快，施瓦茲就得到廣義相對論場方程的第一個解，即靜態(tài)球?qū)ΨQ的解。這個解有一個中心奇點，還有一個奇面。中心奇點是本性，也就是說目前理論上是不可能消除這樣的奇點，在這個點處，時空曲率發(fā)散，一切物理定律都有可能失效。奇面并不是本性的，可以通過坐標(biāo)系變換消掉。但是很快就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，比如說大家都熟悉的美國原子彈之父奧本海默（J.R.Oppenheimer），發(fā)現(xiàn)這個意義看似不大的奇面，恰好就是暗星的表面。不過他們的工作在當(dāng)時并沒有引起物理學(xué)界的重視。這主要是因為大家覺得這樣的暗星不可能存在自然界。后來穩(wěn)態(tài)軸對稱解的獲得，以及更重要的中子星，類星體的發(fā)現(xiàn)，促使人們相信，暗星也有可能存在。在對暗星興趣與日俱增的情況下，惠勒（J.A.Wheeler）建議將這種天體叫做黑洞。
        記者：“黑洞”無疑是本世紀(jì)最具有挑戰(zhàn)性、也最讓人激動的天文學(xué)說之一，去年歐洲的大型強子對撞機LHC啟動的時候，就有科學(xué)家擔(dān)心產(chǎn)生黑洞，從而吞噬地球。據(jù)說，為此還對簿公堂。我想聽聽你們的看法。
        蔡慶宇：去年啟動的大型強子對撞實驗，目的主要是希望通過這項宏偉的撞擊實驗，發(fā)現(xiàn)在理論模型中形成物質(zhì)質(zhì)量的“上帝粒子”—希格斯玻色子。因為這個粒子的存在與否，關(guān)系到現(xiàn)有的宇宙理論能否站得住腳。
        因為LHC中粒子碰撞的能量很高，碰撞時產(chǎn)生的壓力就很大，就會使得質(zhì)子緊密結(jié)合，密度增大到一定時，就會產(chǎn)生黑洞。這個預(yù)測也是很有道理的。如果真的產(chǎn)生黑洞，按照經(jīng)典的黑洞理論，它倒是真的有可能吞噬地球。不過，由于霍金輻射的存在，LHC產(chǎn)生的黑洞從形成到衰變經(jīng)歷的時間極為短暫，也就是說黑洞在形成后很快就蒸發(fā)了，所以不會對我們的存在構(gòu)成任何危險。我們也認為不會威脅地球，倒是可以利用LHC驗證霍金輻射理論。
        另外還有一個有趣的事情，就是俄羅斯科學(xué)家曾提出制造黑洞炸彈，并且預(yù)言這種炸彈如果出現(xiàn)，將使如今人類談虎色變的原子彈也相形見絀。