[科普中国]-黑洞信息悖论

黑洞信息悖论是霍金本人提出的。黑洞是时空的一个区域，这个区域内的引力非常强大，以至于任何东西，甚至光都不能从中逃逸出来 "因此黑洞是人类无法用肉眼观察或用光学天文望远镜观测到的"。

介绍著名理论物理学家斯蒂芬·霍金 (Stephen Hawking)是一个家喻户晓的人物。他现为英国剑桥大学应用数学和理论物理系终身教授 ，曾经创造了一系列的划时代黑洞研究成果。此外，他的扬名，更是因为撰写的《时间简史》成为当今影响力最大的科普作品，并患有 “肌肉萎缩性脊髓侧索硬化症”(运动神经元疾病，半身不遂)。

在探索迷人的黑洞理论过程中，霍金与科学家接连设下赌局。媒体连番报道这一戏剧性的话题，令全世界再次将注意力集中在黑洞和霍金上。当然，这里面主要的原因是公众对霍金个人的故事非常着迷，不过这些故事确实令人鼓舞。且看本次引起广泛关注的赌局，源自1997年霍金立下的一张赌约：

鉴于斯蒂芬·霍金和基普·舍恩坚定相信黑洞信息将被黑洞吞噬永远在外部世界消失，即使黑洞蒸发无法再现信息。而约翰·普瑞斯基尔坚定认为信息的结构将通过黑洞蒸发而再现。因此普瑞斯基尔提议，霍金和索恩接受一个赌注：输者向胜利者提供一部百科全书，从百科全书中可以随意再现信息。

斯蒂芬·霍金，基普·舍恩，约翰·普瑞斯基尔
加利福尼亚州 Pasadena．1997 年 2 月 6 日

时光荏苒 ，直到2004年7月份，在爱尔兰举行了第17届国际广义相对论和引力大会。会上，霍金以“黑洞的信息佯谬”为题作了一场学术报告。霍金在报告中承认，黑洞信息不会丢失——这一观点在物理学界已经流行了一段时间，但是上世纪70年代的黑洞理论先驱霍金本人也最终接受这一观点，是一个重要的标志。这也意味着，霍金最终输给了理论物理学家普瑞斯基尔1。

黑洞的信息悖论霍金预言黑洞将慢慢蒸发的同时，科学界就立即意识到这将导致一个信息丢失的二难问题一 黑洞抹去全部信息与描述微小尺度上空间和物质的量子理论抵触。

量子理论认为任何过程都可以时间反演。正如倒放电影，我们可以重建两辆汽车碰撞之前的行为或者一颗恒星坍缩为黑洞前曾经发生过的事情。让我们仔细思考下面的文字：如果A和B是一个体系初始的状态，C和D是最终的状态，则体系A+B 演化到C+D [A +B->C+D]，如果我们知道A和B的状态 ，我们就能推出C和D，反之，如果我们知道C和D的状态，就可以从时间倒推A和B的状态。由此，我们可以知道，A+B->C+D的过程，信息没有丢失，我们随时可以由C和D的状态信息来得到A和B的状态信息。可以反演就是可以单从末态理论上推算初态。这意味着即使“黑洞”也必须能够存储落入的信息。

那么，如果有广义相对论定义的黑洞参与，那问题就变得棘手了。理想状态的量子系A质量为M1被质量为M2的黑洞B捕获。黑洞质量变为M1+M2。随着时间的流逝，黑洞不断蒸发，当黑洞蒸发出M1的光辐射C后，质量又为M2，回到了初始状态B，回复到捕获A以前的状态。我们从纯状态A和一个质量为M2的黑洞B开始，而终止状态是一个热状态C和一个质量为M的黑洞B。A->C，但是C无法->A。但这正是佯谬之所在。A状态的所有其他的结构信息都在变形中丢失了。这也可以不太准确的理解为，物质将会崩塌为体积无限小密度无限大的奇点。在这一点的引力达到了没有任何物质能够逃逸的程度，因为奇点无限小，所以它不可能有任何结构，也就没有任何方法来保存信息。进入黑洞的粒子的任何信息必将永远丢失。

按照广义相对论的黑洞理论，椅子堕入黑洞视界消失，从黑洞中散逸出的光辐射却不带有椅子的半点信息结构。我们无法从黑洞蒸发出来的辐射知道落入黑洞的是椅子还是火腿。但是，这违背了量子力学态的时间反演属性。悖论由此而生1。

这一悖论从黑洞蒸黑洞信息悖论发理论创立至2004年，一直萦绕在科学家头脑中，不得破解。以至于有了开文所述的著名赌博.这个有名的深奥争论在科学上有着重要的地位，因为如果霍金是正确的，那么将摧毁一个最基本的物理学原则，时间将不可能反演!霍金相信任何被黑洞吞噬的一切将永远消失在外部宇宙中。而普瑞斯基尔打赌一个物体所携带的信息将不会随着落入坍缩的恒星而被摧毁，实际上信息能够重新获得。

这一悖论本身暴露，广义相对论和量子力学的不协调性，其中一定蕴藏着更为奇特的物理学规律。“跨世纪的十大物理问题”之一黑洞信息悖论，早在霍金设立赌局前就被科学界广为关注。

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学