資料來源：人民日報

2004年8月2日

人民日報/蔡榮根 霍金新解黑洞信息丟失之謎 7月21日，國際知名理論物理學家、英國劍橋大學教授霍金在都柏 林舉行的第十七屆廣義相對論和引力國際會議上宣稱，他解決了困 擾已久的黑洞信息“丟失”之謎。霍金在報告中稱，通過用歐几里 得路徑積分方法（將引力量子化的一種可能方法）研究了拓扑平凡 的路徑（不包含黑洞）和拓扑不平凡的路徑（包含黑洞）后，發現 黑洞演化是滿足因果律的，信息是不丟失的。這樣，霍金就推翻了 自己堅持了近30年的觀點。霍金的報告引起了國際理論物理學界的 廣泛興趣和媒體的高度關注。 所謂黑洞，是指一類引力非常之強的特殊天體，它能吸收所有靠近 它的物質，甚至連光也無法逃脫。黑洞只吸收物質，不吐出物質。 也就是說黑洞是“黑”的，人們無法直接“看”到它。盡管如此， 大量的觀測証據表明，宇宙中存在許多這樣奇妙的天體。它的原身 是超過大約3個太陽質量的普通天體，當它的核能量消耗完時，這 一天體將變成一個黑洞。上世紀60年代，經過一些物理學家的研究 ，人們發現，只要3個物理量（質量、角動量和電荷）就能描述一 個不隨時間變化的黑洞。換句話說，對于一個黑洞，人們所能知道 的只有這3個物理量。在黑洞的形成過程中，描述形成這個黑洞的 物質的所有其他特性的信息都丟失了。黑洞的這一特性被美國的物 理學家J．惠勒稱為黑洞無毛定理。 因為經典黑洞只進不出，所以黑洞一旦形成，將通過吸收外部物質 而變得越來越大，永遠不會消失。在黑洞形成過程中，物質信息丟 失對于這個經典黑洞而言，在物理學上是不成問題的，人們只要假 定形成這個黑洞的物質的所有其他信息（除了質量、角動量和電荷 ）仍然存在黑洞內部即可，因為人們無法探知黑洞內的任何信息。 這個故事自上世紀70年代中期起發生了本質的變化。1974年，霍金 通過研究黑洞外的量子力學，發現黑洞不僅能夠吸收黑洞外的物質 ，而且能以熱輻射的形式向外“吐出”物質。這一輻射是一量子力 學現象，被稱為霍金蒸發。霍金的發現立即引起了整個物理學界的 轟動。因為根據霍金的蒸發理論，黑洞在向外蒸發物質的同時，溫 度也隨之升高。這樣黑洞不斷地向外蒸發物質，它的溫度越來越高 ，蒸發越來越快，最后將以大爆炸的形式向外吐出所有的物質而結 束它的生命。 物理學界質疑霍金舊觀點 因為黑洞向外蒸發物質是熱輻射過程，人們無法從被輻射出來的物 質中提取形成黑洞物質的任何信息。最后黑洞也不見了，那么有關 形成黑洞的物質的信息去哪兒了呢？在黑洞的形成和相繼的蒸發過 程中，信息丟失了。霍金以論文的形式把這個觀點發表在1976年的 一期《物理評論D》上。霍金的信息丟失理論與20世紀兩大物理學 成就之一的量子力學相矛盾（另一大物理學成就是偉大的物理學家 愛因斯坦于1916年建立起來的廣義相對論，正是它預言了黑洞的存 在）。量子力學告訴人們，任何物理演化過程應該滿足因果律：信 息是守恆的，即信息不可丟失。20世紀兩大物理學成就在黑洞物理 里產生了矛盾。霍金據此甚至認為，量子力學可能不是一個基本理 論，在黑洞物理中不再適用。 自上世紀初量子力學建立以來，大量的實驗証明量子力學是正確的 ，信息是不丟失的。所以盡管一些物理學家相信霍金的觀點，但大 多數物理學家并不承認霍金的觀點，而是相信在黑洞的形成和相繼 的蒸發過程中信息是不丟失的。他們的觀點在20世紀90年代中期引 力的全息原理被發現后得到了加強。諾貝爾獎獲得者、荷蘭理論物 理學家霍夫特在1993年提出引力具有全息性質。1994年，美國理論 物理學家薩斯金德進一步發展了這一觀點。引力的全息原理是說一 個引力理論（廣義相對論即為一引力理論）能夠與一個不包含引力 的量子場論（量子力學的推廣）等價。換句話說，一個引力體系（ 如黑洞）能被量子場論所描述。而在量子場論中演化是應滿足因果 律的，信息是不丟失的，因此與它等價的引力理論也應該是滿足因 果關系的，信息是不丟失的。 解決信息丟失之謎尚需時日 時隔30年，霍金又發表驚人言論。但是，他是否真正解決了困擾人 們近30年的黑洞信息丟失之謎呢？目前霍金有關這一研究的論文還 沒有正式發表，而大多數物理學家對霍金是否解決黑洞信息丟失之 謎仍持保守態度，因為人們相信，一般情況下要完全解決黑洞信息 丟失之謎至少要等到建立一個正確的量子引力理論之后。而這一量 子引力理論還在理論物理學家的努力之中。 盡管作為量子引力理論的候選者之一的超弦理論在上世紀90年代中 后期對黑洞物理的發展做出了巨大的貢獻，但超弦理論也不能完全 破解黑洞信息丟失之謎。現在黑洞信息丟失之謎的核心問題不是黑 洞是否丟失信息，而是如何按因果律描述黑洞的形成和相繼的蒸發 過程，這樣一種描述可能只能在一個完全的量子引力理論中才能實 現。 （本文作者是中國科學院理論物理研究所研究員）