从黑洞中拯救量子理论：霍金的终极探索

John Preskill（左）、Kip Thorne（中）和霍金探讨黑洞理论。图片来源：CALTECH ARCHIVES

　　在1955年去世时，阿尔伯特·爱因斯坦已经花了几十年去追求一种孤独的、不切实际的探索：一种能统一引力和电磁学的万物理论——尽管物理学家在其间已发现了新的核力量。而近日去世的76岁英国物理学家史蒂芬·霍金也一直工作到生命的尽头。但他关注的可能是物理学领域中一个最重要的问题，也是他自己提出的问题：黑洞如何保存落入其中的物质上的信息？

　　美国加州大学圣塔巴巴拉分校量子物理学家Steven Giddings说：“霍金显然一直在研究这个大问题直到去世，这实际上代表了一场物理学的深刻危机。”为了解决这一问题，霍金和他的两位同事提出了一种理论，即信息最终被潦草地刻画在黑洞不可思议的边缘上，尽管其他人对此表示怀疑。

　　黑洞是一个引力场，是当恒星在自身引力作用下坍缩成一个无穷小点时的残骸。在距离该点一定距离内——在黑洞的事件视界，引力变得如此强大，甚至连光都无法逃脱。但由于量子不确定性的存在，真空中动荡的正反粒子对高速移动，无法直接探测到。霍金在1974年指出，在事件视界上，正反粒子对中的一个粒子可以坠入黑洞而另一个粒子逃逸。

　　当黑洞辐射这些粒子时，它会失去能量和质量，直至完全蒸发。同年，霍金在《自然》杂志发表论文阐述黑洞辐射理论。由于观点激进，不少学者一开始持保留意见。但随着时间推移，论文获得学术界认同。现在，虽然这种“霍金辐射”由于太微弱而无法观测，但几乎没有科学家怀疑它的存在。

　　但霍金的标志性见解带来了一个令人不安的结论。想象一下，把一本字典扔进一个黑洞，然后蒸发掉，但因为霍金辐射的出现可能是随机的，所以字典里的信息难以脱离字典恢复原状。而这样的信息丢失会破坏量子力学，后者要求描述任何系统的“波函数”——不管是字典还是宇宙——以一种可预测的方式发展。如果信息丢失，那就不可能发生。研究人员说，如果考虑到黑洞的特性，这样的信息损失会像癌症一样扩散到量子物理中，破坏诸如能量守恒等。

　　霍金起初认为这个问题可以通过改变量子理论来解决。1997年，他和加州理工学院引力理论学家Kip Thorne、理论学家John Preskill打赌。霍金和Thorne坚持他们有关黑洞摧毁信息的理论。然而到了2004年，霍金改变了主意，并愿赌服输。他给了Preskill一本棒球百科全书。

　　霍金晚年的大部分时间都在试图弄清楚黑洞是如何回涌信息的——尽管他也在研究大爆炸触发理论。3年前，霍金与剑桥大学同事、理论物理学家Malcolm Perry和哈佛大学理论学家Andrew Strominger开始了最后一次关于黑洞的研究。“就在两周前，我看到了他，他的状态不是最好的，但注意力显然集中在这个问题上。”Perry说。

　　在最近的两篇论文中，科学家攻击了黑洞理论的一个支柱：“无属性定理”。它被广泛解释为仅仅用3个参数（质量、自旋和电荷）就足以描述一个黑洞了。正如美国理论家John Archibald Wheeler所说，就像秃顶的人一样，相似质量和旋转的黑洞没有细节——没有“头发”——来区分它们。这意味着一个黑洞并没有记录它吞下的是《李尔王》还是《金刚》。

　　但Strominger表示，严格地说，这个定理只说明了两个相似的黑洞可以通过一种称为微分同胚映射的数学关系“转换”到彼此，这一关系重新定义了时空坐标。它们暗示着黑洞事件视界可能会被无限的电荷覆盖。Strominger说，这些电荷可以区分两个黑洞，并对信息进行编码。“我们对这个想法持谨慎乐观的态度。”

　　然而，Giddings警告说，这些电荷可能无法编码足够的信息，也可能无法以一种独特的方式进行。一位不愿透露姓名的理论家表示，霍金对黑洞信息问题的各种解决方案与他的最佳作品相比黯然失色。这位理论家说，霍金的最新研究也忽略了一个更大的问题。如果一个黑洞保存了信息，那么爱因斯坦引力理论的一个不可避免的结论——没有办法判断你是否掉进了一个巨大的黑洞——肯定是错的。

　　虽然争论还在继续，但霍金的成就无疑影响深远。自从霍金于3月14日去世后，已有数千人来到剑桥在悼念霍金的签名册上签名。在互联网上的签名册亦有大量来自世界各地民众的留言。有消息称，霍金葬礼将于3月31日举行，地点位于剑桥大学冈维尔—凯厄斯学院附近的圣玛丽教堂。霍金的骨灰将于今年晚些时候安放于伦敦威斯敏斯特教堂，与著名科学家牛顿、达尔文等安息在一起。

　　霍金1942年1月8日生于英国牛津，生前任剑桥大学教授，曾担任过该大学卢卡斯数学教授。他的主要研究领域是宇宙和黑洞，提出过与黑洞相关的“霍金辐射”理论。他还撰写过全球畅销科普书《时间简史》，该书自1988年首版以来，已被翻译成数十种文字，销售量超过千万。