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宇宙中信息是守恒的 黑洞除外

2019-08-06 09:53:26  来源:新浪科技

北京时间8月6日消息,据国外媒体报道,宇宙真的很爱惜自己的信息:宇宙不喜欢创造新的信息,它也不喜欢销毁已有的信息。

事实上,用“喜欢”这个词实在是太弱了。至少就我们目前所知——并且我们已经非常非常努力地工作去进行验证,我们发现宇宙中的信息从来不会被创造出来,也从来不会被毁灭,用最简单的话来说:宇宙中信息是守恒的。

黑洞除外。这是咋回事,我们来解释一下。

信息过载

首先,我们需要定义一下什么是信息,以及为什么信息应当被保存下来。物理学基于决定论:我们可以运用物理学原理去预测一个系统的未来变化,这是物理学的意义所在。不论这是盒子中的一个粒子,还是一次复杂的化学反应,抑或是整个宇宙,我们的物理学知识让我们可以做出明确而可靠的预测,凭借我们对于当下的知识去预言未来。

同样的方法也可以带领我们回溯过往。如果我们了解一个系统,那么可以延伸至未来的物理学定律也同样适用于过去,我们可以向前或者向后拨动时钟,观察这个系统在过去曾经如何发展,以及在未来将会如何发展。

正是这种可逆性让我们得到了信息可以被保存的结论。如果我们完全了解一个系统——其中所包含的每一个粒子的位置和速度,所有粒子的自旋和电荷,以及所有其他情况,那么物理学定律将可以告诉我们这些粒子在过去和未来的演变情况。这也就表明,一个系统的原始信息是随时间动态存储的,它们只是岁时间变化,而没有被创造或者毁灭。

再见,黑洞

乍一看,黑洞似乎是对信息的威胁——物质会落入黑洞,和它所携带的信息一起被消灭掉。但从一个外部观察者的角度,比如我们的角度看上去,其实没有任何东西落入了黑洞——它们只是越过了一个边界。因此对于信息来说这似乎并非什么大事,它没有被毁灭,也没有被创造。

但是黑洞似乎会“蒸发”,这可能会引发一些问题。

英国物理学家史蒂芬·霍金在上世纪1970年代最先发现,黑洞并非完全是黑的。它们会发“光”,尽管非常非常微弱。这就是所谓的“霍金辐射”,但这种辐射基本全都是以热量的形式。它就类似于散热,就像你身体的体温散热一样。

这就意味着黑洞辐射的数量和温度只取决于黑洞本身的质量,自转和电荷。除此之外没有任何其他因素。也就是说,不管你往黑洞里丢什么,不管是一本书,一只猫还是一艘宇宙飞船,它发出的霍金辐射都将是一样的。

这样一来,情况就会出问题。随着黑洞“蒸发”,它会损失能量,这意味着它损失质量,最终消失——黑洞会和它携带的信息一同消失?

也就是说,如果信息无法跟随霍金辐射一同从黑洞中逃离出来,而黑洞本身会逐渐消失,那么那些信息会发生什么?它们会消失吗?这样可就和前面说到的宇宙信息守恒原则相违背了。于是,一个悖论产生了。怎么办?

新的物理学

我们目前并没有解决黑洞信息悖论的良方,但这并不妨碍聪明的科学家们设想一些可能的潜在方案。

比如说,有人提出,这些信息或许并没有消失。尽管这看上去简单,但这个方案几乎意味着重写全部物理学。到目前为止黑洞是唯一一个让我们在信息守恒这一点上进退两难的对象,因此,就为了解决黑洞的信息问题,真的值得我们重写整个物理学吗?但是话又说回来,在物理学史上,这也不是我们第一次把物理学整个推倒重来了,而且黑洞也确实是一个很有说服力的对象。

也或许,霍金辐射要比我们目前了解的更加复杂深刻;或许黑洞中的信息真的以某种方式“渗入”了霍金辐射之中并逃离了黑洞;或许霍金最开始进行的分析太过于简单了;或许透过对霍金辐射细致的分析,我们可以从中找到线索,复现出产生它的书本,小猫和宇宙飞船,从而证明霍金辐射确实携带了其内部的信息。

这个想法很好,可以挽救整个物理学,让黑洞信息问题不再存在,可问题是,似乎这种情况真实存在的可能性不太高。

当然还有其他很多很多的理论,比如说落入黑洞的信息被传输到了另外一个时空等等。但不管如何,至少在目前为止,我们还没有确切的回答。

不过,黑暗之中也有光明,最简单的一点:不管哪一个理论最终胜出,它几乎都将导向全新的物理学,让人类获得更加深入的物理学洞察。不管我们最终如何得以解决这个悖论问题,人类都将加深对于宇宙本质的了解。(晨风)

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