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走近科学,什么是黑洞信息悖论?

2019-6-11@艾米 0 评论

宇宙非常喜欢它的信息。它不喜欢创建新信息,也不想销毁任何现有信息。

事实上,“喜欢”这个词太弱了。据我们所知,信息既不会被创造也不会被破坏:整个宇宙中的信息都会持续存在。

除了黑洞。哇哦。我们来解释一下。

走近科学,什么是黑洞信息悖论?

信息超载

首先,我们需要决定“信息”的含义以及为什么应该保存它。物理学由决定论(又称 拉普拉斯信条)支配:我们可以用物理定律来预测一个系统的未来行为。这就是物理学的全部意义所在。无论是处在盒子里的粒子还是复杂的化学反应,还是整个宇宙,我们的物理知识使我们能够做出坚定、可靠的预测,将我们的知识从现在带到未来。

同样的技术让我们可以深入了解过去。如果我们知道一个系统的一切,那么延伸到未来的物理定律也会延伸到过去;我们可以向前或向后运行时钟,观察系统的行为或将以同样的轻松方式运行。

正是这种可逆性使我们能够实现信息保存的飞跃。如果我知道关于一个系统的一切–所有粒子的位置和速度,它们的自旋和电荷,以及所有其他的东西,那么物理定律将告诉我们所有这些粒子在过去和未来的行为。因此,系统的原始信息 — 所有关于它的信息,都是随着时间的推移而保存的;它只是被重新排列,而不是被创建或销毁。

再见,再见黑洞

乍一看,黑洞似乎对信息的处理很无辜。东西和他们的信息一起落入黑洞。从外部观察者的角度来看(即,我们从远处安全地观察),没有任何东西落入黑洞 — 它只是被贴到表面上(当然它比这更复杂,但这足以了解当前的困境)。这种情况对信息来说并不是一件大事,既不会创造也不会被破坏。

除非黑洞蒸发,这会造成一个小问题。

正如斯蒂芬霍金在20世纪70年代首次发现的那样,黑洞并非完全是黑色的。它们确实只会发出一点点的光。更重要的是,这个被方便地命名为霍金辐射完全是热的。这只是随机发热,就像你的身体散发的热量。

这意味着发射的辐射量和温度仅取决于黑洞的质量、自旋和电荷。没有别的:无论你把什么扔进黑洞,从书本到猫到宇宙飞船,它的霍金辐射都会保持不变。

这很好,很花哨;表面上的信息仍然存在,管好了自己的事。但是,由于黑洞产生霍金辐射,它会失去能量,这意味着它会失去质量……这意味着它最终会消失,并伴随着所携带的所有信息。

那么,如果这些信息没有随着霍金辐射泄露出去,黑洞消失了,那么所有的信息都发生了什么?因此,出现了悖论。

新物理的拯救

我们对黑洞信息悖论没有解决方案,但这并没有阻止幻想家理论家在几十年来想出一系列潜在的解决方案。

例如,也许信息终究是被保存的。虽然这似乎是一个简单的陈述,但它涉及重写几乎所有已知的物理学。黑洞是我们唯一一个在保存信息的过程中遇到麻烦的地方,所以为了适应这一特殊情况,我们真的有必要重新创造我们所有的物理知识吗?然而,我们之前必须重写所有的物理,所以它不是第一次,黑洞是非常引人注目的对象。

或者也许霍金辐射并不是人们所想象的那样。也许不知何故,粘附在黑洞表面的信息最终会进入发射的辐射中。也许霍金的最初的分析过于简单,通过仔细观察辐射,我们可以精心地重建落入的书籍、猫和宇宙飞船。虽然这会拯救所有已知的物理学,但没有人能够找到一种令人满意的方法,让这一切发生。

也许信息不会被粘在表面上,而是在黑洞蒸发完的时候被留在某种易碎的金块中。这听起来不错,但我们对这项工作的实际效果几乎一无所知。或者它可能更加狂野,比如信息被注入另一个宇宙或者在时间上循环。

这个悖论令人兴奋的是,所有潜在的答案都会导致新的物理学。无论如何,如果我们解决悖论,我们将通过学习有关宇宙的新东西来实现这一目标。

本文源自 space ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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