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-本刊記者/方玄昌馮亦斐 □黃步紅
2004年7月21日，在愛(ài)爾蘭首都都柏林舉行的“第十七屆國(guó)際廣義相對(duì)論和萬(wàn)有引力”大會(huì)(GR17大會(huì))上，《時(shí)間簡(jiǎn)史》的作者、英國(guó)劍橋大學(xué)富有傳奇色彩的理論物理學(xué)家史蒂芬·霍金，向來(lái)自世界各地齊聚一堂的科學(xué)家和記者宣布，他解決了物理學(xué)中重要的一個(gè)問(wèn)題：黑洞究竟有沒(méi)有破壞被其吞噬的信息。
大會(huì)上，霍金演講了他的最新發(fā)現(xiàn)，他宣告推翻了自己若干年前建立的著名黑洞理論，并重新討論了信息守恒的問(wèn)題。
“30年來(lái)，這個(gè)一直困擾著我的問(wèn)題終于得到解決，這真是太好了，”霍金在演講中這樣說(shuō)道。他的有關(guān)論文將在近日發(fā)表，他將在論文中進(jìn)一步闡釋他的新理論。
黑洞不破壞因果律，不再可能幫我們通向其它的宇宙
史蒂芬·霍金的講話在整個(gè)物理界掀起了軒然大波。加拿大滑鐵盧大學(xué)物理系主任羅伯特·曼博士，與在會(huì)的其他800名物理學(xué)家一起聽(tīng)取了霍金的演講。
“聽(tīng)完他的講話后，幾乎無(wú)人能夠理解他所說(shuō)的內(nèi)容，大概只有霍金自己明白這些東西�！绷_伯特·曼這樣評(píng)價(jià)這場(chǎng)天才的演講。它讓人聯(lián)想到當(dāng)年“全世界只有3個(gè)人理解相對(duì)論”的情形。
羅伯特·曼盡量用生動(dòng)、淺顯的語(yǔ)言來(lái)解釋霍金理論的前后不同。
“40年前，人們開(kāi)始認(rèn)真思考黑洞，認(rèn)為外人(黑洞外的觀測(cè)者)能夠獲得黑洞僅有的信息就是質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量，這意味著，如果你用任何一種物質(zhì)來(lái)做成黑洞，比如壓碎的聽(tīng)裝啤酒瓶、壓扁的恒星、還是其它什么，外人都無(wú)法分辨出黑洞里面到底是什么東西�！�
“霍金30年前的理論認(rèn)為，從量子力學(xué)的角度來(lái)考慮，黑洞能夠輻射(即著名的霍金輻射)。由于量子作用，啤酒黑洞物質(zhì)、恒星黑洞物質(zhì)等都開(kāi)始輻射，開(kāi)始蒸騰、四溢。問(wèn)題在于，霍金原先的計(jì)算顯示了蒸騰完全屬于熱效應(yīng)，這就意味著它不應(yīng)該包含任何信息——即啤酒黑洞物質(zhì)和恒星黑洞物質(zhì)的輻射沒(méi)有任何差別。所以，當(dāng)黑洞變得越來(lái)越小，最后蒸發(fā)到?jīng)]有時(shí)，就意味著已經(jīng)丟失了全部信息。并且，到了變化的末端，已經(jīng)無(wú)法復(fù)原那些信息。”
這種理論從誕生之初就遇到了麻煩：它同很多科學(xué)家堅(jiān)持的“信息守恒定律”互為矛盾。這一度被人們稱為“黑洞悖論”。
如同19世紀(jì)的科學(xué)家斷定了能量守恒定律一樣，20世紀(jì)的許多科學(xué)家提出了信息守恒一說(shuō)——假如這個(gè)說(shuō)法成立，那么“信息守恒定律”無(wú)疑將成為科學(xué)界最為重要的定律，也許比物質(zhì)、能量守恒定律的意義更為深遠(yuǎn)�；艚鸬暮诙蠢碚撘鸬募ち覡�(zhēng)執(zhí)就是“信息”在黑洞中是否能夠保存、守恒。
羅伯特·曼介紹說(shuō)，大多數(shù)的物理學(xué)家都認(rèn)為，任何信息都不能被破壞，否則將違背因果律，“出于對(duì)因果關(guān)系的深信不疑，在給出初始條件的情況下，物理學(xué)的工作就是通過(guò)過(guò)去預(yù)知未來(lái)。”這意味著，如果信息被破壞了——如同霍金30年前的理論所說(shuō)，未來(lái)就根本無(wú)法通過(guò)信息來(lái)預(yù)知。
30年間霍金堅(jiān)持：“信息守恒定律”在黑洞里失效�！霸诤诙蠢�，信息確實(shí)丟失了。如果它丟失了，它會(huì)進(jìn)入另外一個(gè)空間，這個(gè)空間稱作嬰兒宇宙，顧名思義，嬰兒宇宙來(lái)自我們的這個(gè)宇宙�！�
但現(xiàn)在霍金宣布，他使用歐氏路線積分?jǐn)?shù)學(xué)方法，證明出新的答案——信息進(jìn)入黑洞之后并未被破壞掉，“如果你進(jìn)入一個(gè)黑洞，你所承載的物質(zhì)和能量將被返回我們的宇宙……它已經(jīng)被撕裂，但包含了所有你的信息，只是不再被我們輕易辨識(shí)�！�
“新的理論經(jīng)過(guò)進(jìn)一步推測(cè)還將得到另一個(gè)結(jié)論：它意味著，黑洞不再可能幫我們通向其它的宇宙，或者通向我們宇宙的其他角落——這是霍金以前提出來(lái)的說(shuō)法�！绷_伯特·曼說(shuō)。
“我很抱歉，我讓科幻愛(ài)好者們失望了�！被艚鹪谘葜v中這樣說(shuō)。
霍金愿賭服輸，勝者興味索然
對(duì)于霍金宣告自己原先的黑洞理論“突然死亡”一事，他在劍橋大學(xué)的同事加里·吉本斯認(rèn)為，這件事的發(fā)生真是讓物理學(xué)家“大跌眼鏡”，“要知道霍金做學(xué)問(wèn)的方式是相當(dāng)戲劇化的：他會(huì)提出一條理論，并且在它被其他更好的論證推翻之前，一直堅(jiān)持到底。”
霍金如果放棄他原先的黑洞理論，還將輸?shù)粢粓?chǎng)賭賽。這是一個(gè)相當(dāng)有趣的故事。
1997年，霍金和來(lái)自加利福尼亞理工學(xué)院的兩位科學(xué)家奇普·梭恩、約翰·普里斯基爾為各自的黑洞理論設(shè)下了一場(chǎng)賭局：霍金和奇普·梭恩認(rèn)為黑洞會(huì)將信息盡收腹中而永遠(yuǎn)不會(huì)釋放；約翰·普里斯基爾則認(rèn)為黑洞具有一些不為人知的篩孔，信息將通過(guò)這些篩孔安全撤離黑洞。勝利方將獲得自己選擇的一套百科全書(shū)。
普里斯基爾教授在他的個(gè)人網(wǎng)頁(yè)上用形象、生動(dòng)的語(yǔ)言介紹了這個(gè)賭局及其背后的深?yuàn)W理論：
“霍金原先的黑洞蒸發(fā)——消失理論是一個(gè)了不起的見(jiàn)識(shí)，理論物理界的很多人很多年后才完全意識(shí)到霍金所提出的這個(gè)問(wèn)題的深度。他的理論曾經(jīng)在基礎(chǔ)物理界引發(fā)了一場(chǎng)真正的危機(jī)，讓我們看起來(lái)不得不至少放棄一條我們所珍愛(ài)的信仰。為此，霍金還提出過(guò)激進(jìn)的建議，認(rèn)為需要修改量子理論的基礎(chǔ)�！�
現(xiàn)在，在都柏林的會(huì)場(chǎng)上，霍金在這場(chǎng)賭局中做出了讓步。
然而普里斯基爾并沒(méi)有因?yàn)樽约黑A得賭賽而興奮，“史蒂芬心靈的改變令我驚訝；為什么這個(gè)新觀點(diǎn)如此強(qiáng)大而令他甘愿推翻自己已經(jīng)鍥而不舍地堅(jiān)持將近30年的立場(chǎng)，對(duì)于我來(lái)說(shuō)，還不清楚其中的原因�！�
普里斯基爾說(shuō)，這甚至令他有些許難過(guò)：在過(guò)去的這些年里，史蒂芬和他就黑洞信息之謎有過(guò)很多討論，他一直享受著這些討論所帶來(lái)的樂(lè)趣，并從中學(xué)到東西，即使他們?cè)谟懻撝斜舜艘庖?jiàn)不和。
“我們現(xiàn)在真的站到了一個(gè)立場(chǎng)上，將來(lái)也許會(huì)發(fā)現(xiàn)別的可以爭(zhēng)論的東西，但沒(méi)有什么像黑洞信息問(wèn)題這樣更深刻有趣了。”
不過(guò)，普里斯基爾對(duì)他贏得的戰(zhàn)利品倒是很滿意：霍金贈(zèng)給他一套棒球百科全書(shū)。
僅僅是數(shù)學(xué)結(jié)論？一切依然是未知數(shù)
原先站在霍金一邊的奇普·梭恩還拒絕認(rèn)輸�！拔疫�需要看到更多的敘述才會(huì)讓步，”但他又補(bǔ)充道：“不過(guò)我覺(jué)得斯蒂芬的決定多半是正確的�！�
奇普·梭恩不愿馬上認(rèn)輸?shù)脑蚝芎?jiǎn)單：他和他的打賭對(duì)手普里斯基爾都沒(méi)有理解霍金的新理論，他如果現(xiàn)在認(rèn)輸，究竟輸在哪兒都不知道。
同樣，普里斯基爾也還不知道自己為什么贏了�；艚鹪谘葜v中表示，他的最新計(jì)算顯示了視界(即黑洞的表面)，充滿了“量子擾動(dòng)”。而這恰恰和量子力學(xué)的核心理論之一、著名的海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理所闡述的內(nèi)容相似——這些量子擾動(dòng)能夠使得被黑洞吸收的信息逐漸釋放出來(lái)，這樣，原先“黑洞悖論”的結(jié)就很自然地打開(kāi)了。
“我并不完全同意他的新觀點(diǎn)。我希望霍金在一個(gè)月左右后發(fā)表的論文里，能提供他在發(fā)言中未能透露的細(xì)節(jié)。我有一種強(qiáng)烈的感覺(jué)，霍金的新方法，即使它被廣泛地接受，也將會(huì)留下?lián)]之不去的關(guān)于信息是通過(guò)怎樣清晰的路徑而逃逸的問(wèn)題。”普里斯基爾說(shuō)。
參加了GR17大會(huì)的一些物理學(xué)家仍然支持史蒂芬早先的觀點(diǎn)，對(duì)他推翻自己的說(shuō)法很是悲傷。其他物理學(xué)家則紛紛質(zhì)疑霍金是否真正解決了“黑洞悖論”這個(gè)由來(lái)已久的問(wèn)題�！斑@還不能讓我信服，”來(lái)自密爾沃基的威斯康星州大學(xué)的物理學(xué)家約翰·弗來(lái)德曼在接受美國(guó)《科學(xué)》雜志采訪時(shí)，對(duì)霍金使用的數(shù)學(xué)方法(歐氏路線積分法)提出質(zhì)疑。
量子領(lǐng)域的理論學(xué)家有時(shí)會(huì)樂(lè)意采用這種歐氏路線積分法來(lái)解決離子和場(chǎng)中的問(wèn)題。但是，這種方法有時(shí)會(huì)遇到無(wú)窮極限的問(wèn)題，這是大多數(shù)引力理論學(xué)家盡量避免使用這種方法的原因。他們更愿意選擇一些更加直接的數(shù)學(xué)方法，例如洛倫茲函數(shù)來(lái)計(jì)算引力問(wèn)題。目前，還沒(méi)有人能夠證明這兩種方法最后能夠獲得同樣的計(jì)算結(jié)果。
弗來(lái)德曼說(shuō)，如若不然，那么霍金的結(jié)論至多只能是一個(gè)數(shù)學(xué)答案，而非一條普遍定律。
盡管如此，如同羅伯特·曼所說(shuō)，無(wú)論最終的結(jié)果怎樣，霍金的新理論不會(huì)影響到今天中午你將吃些什么，但是他的新思想?yún)s一定會(huì)是人類想象力的又一道美妙大餐。
