斯蒂芬·霍金自相矛盾的发现，即黑洞不会永远存在，这对寻求统一的现实理论有着深远且悬而未决的影响。

作者：Davide Castelvecchi

doi：https://doi.org/10.1038/d41586-024-00768-4

在斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）发表开创性论文的五十年后，尚不清楚黑洞吞噬的信息会发生什么。图片来源：EHT Collaboration

事后看来，1974年3月1日发表的一篇《自然》杂志论文的标题以一个问号结尾：“黑洞爆炸？斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）关于现在被称为霍金辐射的里程碑式的想法，迄今刚满50年。在过去的半个世纪里，物理学家们越是试图检验他的理论，提出的问题就越多，这对我们如何看待现实的运作产生了深远的影响。

从本质上讲，6年前去世的霍金发现，黑洞不应该是真正的黑色，因为它们不断辐射出少量的热量。这个结论来自量子物理学的基本原理，这意味着即使是空旷的空间也是1个远非平安无事的地方。取而代之的是，太空中充满了汹涌澎湃的量子场，其中成对的“虚拟”粒子不断地不知从何而来，在正常情况下，几乎瞬间相互湮灭。

然而，在事件视界，即定义黑洞边界的球面，会发生一些不同的事情。事件视界代表了1个不归路的引力点，只能向内穿越，霍金意识到2个虚拟粒子可以分离。其中1个落入黑洞，而另外1个则辐射出去，携带一些能量。结果，黑洞失去了一点点质量并缩小了，并发光。

意想不到的后果

霍金1974年论文的力量在于它如何结合现代物理学两大支柱的基本原理。第1个是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论（其中黑洞表现出来），将引力与空间和时间的形状联系起来，并且通常仅在大尺度上相关。第2种是量子物理学，它往往出现在微观环境中。这两种理论在数学上似乎不相容，物理学家长期以来一直在努力寻找调和它们的方法。霍金表明，黑洞的事件视界是1个罕见的地方，两种理论都必须发挥作用，并具有可计算的后果。

这让人深感不安，这一点很快变得显而易见。霍金辐射的随机性意味着它不携带任何信息。正如霍金很快意识到的那样，无论是在黑洞最初形成的时候，还是在黑洞生长的过程中，黑洞都会慢慢地擦除掉任何落入其中的信息——这显然与量子力学定律相矛盾，量子力学定律认为信息永远不会被破坏。这个难题被称为黑洞信息悖论。

事实证明，黑洞不应该是产生霍金辐射的唯一因素。原则上，任何在太空中加速的观察者都可以从空旷的空间中接收到类似的辐射. 黑洞的其他类似物在自然界中比比皆是。例如，物理学家已经证明，在移动的介质中，试图向上游移动的声波似乎就像霍金预测的那样。一些研究人员希望这些实验能够为如何解决这一悖论提供线索。

科学的赌注

在1990年代，黑洞信息悖论成为著名赌注的主题。霍金与帕萨迪纳加州理工学院（Caltech）的基普·索恩（Kip Thorne）一起提出，量子力学最终需要修改，以考虑霍金辐射。另一位加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基尔（John Preskill）坚持认为，信息会以某种方式被保存下来，量子力学也会被保存下来。

但在1997年，现就职于新泽西州普林斯顿高等研究院的理论物理学家胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena）提出了1个想法，表明霍金和索恩可能错了。他的论文现在被引用了超过24,000次，甚至超过了霍金论文被引用的7,000次左右。马尔达塞纳认为，宇宙——包括它所包含的黑洞——是1种全息图，是发生在平面上的事件的高维投影。在平坦的世界中发生的一切都可以用纯量子力学来描述，因此可以保存信息。

Cosmologist Stephen Hawking reacts during a conversation on October 10, 1979 in Princeton, New Jersey.

斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）一生都在研究黑洞信息悖论。图片来源：Santi Visalli/Getty

从表面上看，马尔达塞纳的理论并不完全适用于我们居住的宇宙类型。此外，它没有解释信息如何在黑洞中逃脱破坏——只是说它应该以某种方式逃脱。“我们对这种机制没有具体的掌握，”普雷斯基尔说。根据普雷斯基尔的说法，包括霍金在内的物理学家已经提出了无数的逃逸机制，但没有1个是完全令人信服的。“这是在那篇伟大的论文发表50年后，我们仍然感到困惑，”他说。（然而，马尔达塞纳的想法足以改变霍金的想法，他在2004年认输了。）

量子难题

解决信息悖论的尝试已经发展成为1个蓬勃发展的行业。其中1个受到关注的想法是，每个落入黑洞的粒子都通过量子纠缠与留在外面的粒子相连，量子纠缠是物体即使相距遥远也能共享1个量子态的能力。这种联系可以在时空的几何结构中表现为1个连接视界内部和外部的“虫洞”。纠缠也是使量子计算机可能比经典计算机更强大的关键特征之一。此外，在过去的十年里，随着普雷斯基尔和其他人研究全息投影中发生的事情与为量子计算机开发的纠错算法类型之间的相似性，黑洞和信息理论之间的联系变得更加紧密。纠错是1种存储冗余信息的方式，使计算机（无论是经典的还是量子的）能够恢复损坏的信息。一些研究人员认为量子计算理论是解决霍金悖论的关键。在创建黑洞时，宇宙可能会类似地存储其信息的几个版本——有些在视界内，有些在视界外——这样黑洞的破坏就不会抹去任何历史。

但其他研究人员认为，信息悖论的完全解决可能必须等到另一个大问题得到解决——即协调引力与量子物理。霍金一直在研究这个问题，直到去世，但没有明确的结果。

至于霍金论文的标题，天文学家们非常重视看到真正的黑洞爆炸的可能性。大黑洞的行为就像非常冷的物体，但较小的黑洞更热，这使它们收缩得更快；它们释放的粒子应该会变得越来越有能量，当黑洞消失时达到顶峰。霍金证明，当大质量恒星在生命末期自行坍塌时形成的“普通”恒星质量黑洞，需要比宇宙年龄长很多倍的时间才能达到这一点。但是，原则上，质量范围较小的黑洞可能是在大爆炸后的最初时刻由物质密度的随机波动形成的。如果1个质量合适的原始黑洞在太阳系附近的某个地方消失，它可能会被中微子和γ射线天文台发现。

到目前为止，天文学家还没有看到任何黑洞爆炸，但他们仍在观察中。这样的观察肯定会为霍金赢得终身未能获得的诺贝尔奖。事实上，他简单而好奇的论文标题所提出的问题似乎将在未来几年内滋养宇宙学和物理学之间的交叉点。

References

[1] Hawking, S. W. Nature 248, 30–31 (1974).

[2] Hawking, S. W. Phys. Rev. D 14, 2460–2473 (1976).

[3] Unruh, W. G. Phys. Rev. D 14, 870–892 (1976).

[4] Maldacena, J. Adv. Theor. Math. Phys. 2, 231–252 (1998).

[5] The IceCube Collaboration. In Proc. 36th International Cosmic Ray Conference (ICRC2019) Vol. 358, article 863 (2019).