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黑洞信息让物理学家陷入困境——量子引力理论或许是其归宿

根据爱因斯坦的理论,你不会注意到穿过黑洞的视界。但现在研究人员认为,“防火墙”会阻碍你。他们完全失去了“集体意识”了吗?

黑洞信息让物理学家陷入困境——量子引力理论或许是其归宿

有时候,很难理解为什么有人会把时间浪费在像黑洞信息丢失这样的学术问题上。我说,作为一个在过去十年里花了大量时间在我的脑海里研究黑洞的人。在这个饱受战争、疾病、甚至语法错误困扰的世界里,物理学家难道没有更好的事情可做吗?是什么驱使着这些研究人员?

黑洞信息让物理学家陷入困境——量子引力理论或许是其归宿

如今许多物理学家研究的课题,如黑洞信息丢失,似乎完全脱离了现实。黑洞只有在信息完全蒸发后才会成功地摧毁信息,而这在未来1000亿年左右是不会发生的。激励这些科学家的并不是他们的真知灼见的实际运用,而是他们认识到,今天的某些人必须为今后一百年、一千年或一万年的相关科学铺平道路。当我浏览我的新闻订阅时,我发现这篇文章的论点异常清晰,其看似不可避免的逻辑导致了一个悖论,无可否认,这反而增加了它的吸引力。

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黑洞信息让物理学家陷入困境——量子引力理论或许是其归宿

如果黑洞信息丢失是一个宇宙侦探,那么量子理论将是受害者。斯蒂芬·霍金在上世纪70年代初证明,如果把量子理论与引力结合起来,就会发现黑洞一定会释放出热辐射。这种“霍金辐射”是由粒子组成的,除了温度它们不包含任何信息。因此,当一个黑洞完全蒸发时,所有关于黑洞内部物质的信息最终都必须被摧毁。但这种对信息的破坏与用来得出这一结论的量子理论是不相容的。在量子理论中,所有的过程都可以在时间上向前或向后发生,但是黑洞的蒸发似乎是无法逆转的。

这给物理学家们提出了一个大难题,因为它证明了引力和量子理论拒绝结合。试图解释这个暗指未知的量子引力理论的问题也无济于事。霍金辐射不是一个量子引力过程,虽然量子引力最终在黑洞蒸发的最后阶段变得重要,但有观点认为,到这个时候,获得所有信息已经太晚了。

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这种情况在20世纪90年代末发生了戏剧性的变化,当时玛尔达塞纳提出某些引力理论等同于规范理论。在弦理论中发现的这个著名的“轨距重力对应关系”,虽然在数学上还没有被证明,但它解决了黑洞信息问题,因为当黑洞蒸发时发生的任何事情在规范理论中都是等价描述的。规范理论被认为不能谋杀信息,因此暗示问题不存在。

尽管包括史蒂芬·霍金本人在内的许多物理学家都相信,黑洞不会破坏信息,但对于信息究竟是如何逃离黑洞的,却没有给出多少答案。研究仍在继续,但自满情绪在理论物理学家中蔓延开来。弦理论似乎已经解决了这个悖论,在细节被理解之前,这只是一个时间问题。

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但事实并非如此。相反,在2012年,一个由四名物理学家组成的小组证明了被认为是一个解决方案实际上是不一致的。他们证明了四个被大多数弦理论家普遍认为是正确的假设,实际上不可能同时为真。这四个假设是:

1)。黑洞不会破坏信息。

2)。在黑洞视界附近,粒子物理学和广义相对论的标准模型仍然有效。

3)。黑洞中储存的信息量与它的表面积成正比。

4)。一个穿过黑洞视界的观察者不会注意到它。

第二个假设改写了霍金辐射不是量子引力效应的说法。第三个假设是从弦理论中对黑洞微观状态的计算中得出的结论。第四个假设是爱因斯坦的等价原理。简而言之,这些假设中至少有一个是错误的。其中一个证人在撒谎,但哪个呢?

在他们的论文中建议,放弃这些假设中最没有争议的:第四种,放弃了4)。其他三个假设则暗示,一个观察者落入黑洞会遭遇“防火墙”,并被烧成灰烬。然而,等价原理是广义相对论的中心原则,放弃它实际上是最后的手段。

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对于没有经验的观察者来说,撒谎的证人似乎是显而易见的。与其他的假设相反,这些假设是我们已经知道的理论的结果,并且已经被高度精确地验证过了。所以如果一个假设必须被放弃,那么它可能就是弦理论关于黑洞信息含量的假设是正确的。不用说,这个选择并不受弦理论家的欢迎。

因此,在几个月的时间里,提出的解决方案包罗万象,从仅仅接受黑洞防火墙,到多元宇宙,再到精心设计的思想实验,旨在证明观察者不会注意到自己被灼伤。是的,这就是现代物理学。

从表面上看,使我最终发现,使假设似乎不相容的是证明中使用的未陈述的第五个假设。好像看似不相容的证词一旦意识到受害者不是在发现尸体的同一地点被杀就突然变得很有意义,当您不需要以特定方式保存信息时,这四个假设突然变得很有意义(即最终状态为“典型”状态)。取而代之的是,必须在地平线附近局部保存能量的要求使防火墙无法实现,同时也准确地揭示了黑洞蒸发如何与量子理论保持兼容。

黑洞信息让物理学家陷入困境——量子引力理论或许是其归宿

虽然我的建议确实解决了防火墙的难题,但它并没有解决黑洞信息丢失的问题。我在旁注中提到,原则上可以利用这个边界将信息传递给发出的辐射,但这仍然不能解释信息是如何进入边界的。

快进一千年。在这条路的尽头有一个量子引力理论,它将允许我们理解空间和时间在最短距离内的行为,许多人希望,量子理论本身的起源,甚至可能是物质的起源。进步似乎是渐进的,历史有时会把我们带入一个怪圈,但让物理学家继续前进的是这样一种认识,即必须有一个解决方案,而信息的“谋杀者”最终将被发现。检查书的最后一页没有作弊——它还没有写完。

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