科 学 家 霍 金 推 翻 自 己 的 黑 洞 理 论
(2004年8月)据 美 国 消 息,2004 年 7 月 21 日, 在 爱 尔 兰 首 都 都 柏 林 举 行 的 "第 37 届 国 际 广 义 相 对 论 和 万 有 引 力" 大 会 (GR17 大 会) 上, 《时 间 简 史》 的 作 者、 英 国 剑 桥 大 学 富 有 传 奇 色 彩 的 理 论 物 理 学 家 史 蒂 芬 霍 金, 向 来 自 世 界 各 地 齐 聚 一 堂 的 科 学 家 和 记 者 宣 布, 他 解 决 了 物 理 学 中 重 要 的 一 个 问 题 : 黑 洞 究 竟 有 没 有 破 坏 被 其 吞 噬 的 信 息。

大 会 上, 霍 金 演 讲 了 他 的 最 新 发 现, 他 宣 告 推 翻 了 自 己 若 干 年 前 建 立 的 著 名 黑 洞 理 论, 并 重 新 讨 论 了 信 息 守 恒 的 问 题。 "30 年 来, 这 个 一 直 困 扰 着 我 的 问 题 终 于 得 到 解 决, 这 真 是 太 好 了," 霍 金 在 演 讲 中 这 样 说 道。 他 的 有 关 论 文 将 在 近 日 发 表, 他 将 在 论 文 中 进 一 步 阐 释 他 的 新 理 论。

黑 洞 不 破 坏 因 果 律, 不 再 可 能 帮 我 们 通 向 其 它 的 宇 宙

史 蒂 芬 霍 金 的 讲 话 在 整 个 物 理 界 掀 起 了 轩 然 大 波。 加 拿 大 滑 铁 卢 大 学 物 理 系 主 任 罗 伯 特 曼 博 士, 与 在 会 的 其 他 800 名 物 理 学 家 一 起 听 取 了 霍 金 的 演 讲。 "听 完 他 的 讲 话 后, 几 乎 无 人 能 够 理 解 他 所 说 的 内 容, 大 概 只 有 霍 金 自 己 明 白 这 些 东 西。" 罗 伯 特 曼 这 样 评 价 这 场 天 才 的 演 讲。 它 让 人 联 想 到 当 年 "全 世 界 只 有 3 个 人 理 解 相 对 论" 的 情 形。

罗 伯 特 曼 尽 量 用 生 动、 浅 显 的 语 言 来 解 释 霍 金 理 论 的 前 后 不 同。 "40 年 前, 人 们 开 始 认 真 思 考 黑 洞, 认 为 外 人 (黑 洞 外 的 观 测 者) 能 够 获 得 黑 洞 仅 有 的 信 息 就 是 质 量、 电 荷、 角 动 量, 这 意 味 着, 如 果 你 用 任 何 一 种 物 质 来 做 成 黑 洞, 比 如 压 碎 的 听 装 啤 酒 瓶、 压 扁 的 恒 星、 还 是 其 它 什 么, 外 人 都 无 法 分 辨 出 黑 洞 里 面 到 底 是 什 么 东 西。"

"霍 金 30 年 前 的 理 论 认 为, 从 量 子 力 学 的 角 度 来 考 虑, 黑 洞 能 够 辐 射 (即 著 名 的 霍 金 辐 射)。 由 于 量 子 作 用, 啤 酒 黑 洞 物 质、 恒 星 黑 洞 物 质 等 都 开 始 辐 射, 开 始 蒸 腾、 四 溢。 问 题 在 于, 霍 金 原 先 的 计 算 显 示 了 蒸 腾 完 全 属 于 热 效 应, 这 就 意 味 着 它 不 应 该 包 含 任 何 信 息 - 即 啤 酒 黑 洞 物 质 和 恒 星 黑 洞 物 质 的 辐 射 没 有 任 何 差 别。 所 以, 当 黑 洞 变 得 越 来 越 小, 最 后 蒸 发 到 没 有 时, 就 意 味 着 已 经 丢 失 了 全 部 信 息。 并 且, 到 了 变 化 的 末 端, 已 经 无 法 复 原 那 些 信 息。"

这 种 理 论 从 诞 生 之 初 就 遇 到 了 麻 烦 : 它 同 很 多 科 学 家 坚 持 的 "信 息 守 恒 定 律" 互 为 矛 盾。 这 一 度 被 人 们 称 为 "黑 洞 悖 论"。

如 同 19 世 纪 的 科 学 家 断 定 了 能 量 守 恒 定 律 一 样, 20 世 纪 的 许 多 科 学 家 提 出 了 信 息 守 恒 一 说 - 假 如 这 个 说 法 成 立, 那 么 "信 息 守 恒 定 律" 无 疑 将 成 为 科 学 界 最 为 重 要 的 定 律, 也 许 比 物 质、 能 量 守 恒 定 律 的 意 义 更 为 深 远。 霍 金 的 黑 洞 理 论 引 起 的 激 烈 争 执 就 是 "信 息" 在 黑 洞 中 是 否 能 够 保 存、 守 恒。

罗 伯 特 曼 介 绍 说, 大 多 数 的 物 理 学 家 都 认 为, 任 何 信 息 都 不 能 被 破 坏, 否 则 将 违 背 因 果 律, "出 于 对 因 果 关 系 的 深 信 不 疑, 在 给 出 初 始 条 件 的 情 况 下, 物 理 学 的 工 作 就 是 通 过 过 去 预 知 未 来。" 这 意 味 着 如 果 信 息 被 破 坏 了 - 如 同 霍 金 30 年 前 的 理 论 所 说, 未 来 就 根 本 无 法 通 过 信 息 来 预 知。

30 年 间 霍 金 坚 持 : "信 息 守 恒 定 律" 在 黑 洞 里 失 效。 "在 黑 洞 里, 信 息 确 实 丢 失 了。 如 果 它 丢 失 了, 它 会 进 入 另 外 一 个 空 间, 这 个 空 间 称 作 婴 儿 宇 宙, 顾 名 思 义, 婴 儿 宇 宙 来 自 我 们 的 这 个 宇 宙。"

但 现 在 霍 金 宣 布, 他 使 用 欧 氏 路 线 积 分 数 学 方 法, 证 明 出 新 的 答 案 - 信 息 进 入 黑 洞 之 后 并 未 被 破 坏 掉, "如 果 你 进 入 一 个 黑 洞, 你 所 承 载 的 物 质 和 能 量 将 被 返 回 我 们 的 宇 宙 …… 它 已 经 被 撕 裂, 但 包 含 了 所 有 你 的 信 息, 只 是 不 再 被 我 们 轻 易 辨 识。"

"新 的 理 论 经 过 进 一 步 推 测 还 将 得 到 另 一 个 结 论 : 它 意 味 着, 黑 洞 不 再 可 能 帮 我 们 通 向 其 它 的 宇 宙, 或 者 通 向 我 们 宇 宙 的 其 他 角 落 - 这 是 霍 金 以 前 提 出 来 的 说 法。" 罗 伯 特 曼 说。

"我 很 抱 歉, 我 让 科 幻 爱 好 者 们 失 望 了。" 霍 金 在 演 讲 中 这 样 说。

霍 金 愿 赌 服 输, 胜 者 兴 味 索 然

对 于 霍 金 宣 告 自 己 原 先 的 黑 洞 理 论 "突 然 死 亡" 一 事, 他 在 剑 桥 大 学 的 同 事 加 里 吉 本 斯 认 为, 这 件 事 的 发 生 真 是 让 物 理 学 家 "大 跌 眼 镜", "要 知 道 霍 金 做 学 问 的 方 式 是 相 当 戏 剧 化 的 : 他 会 提 出 一 条 理 论, 并 且 在 它 被 其 他 更 好 的 论 证 推 翻 之 前, 一 直 坚 持 到 底。"

霍 金 如 果 放 弃 他 原 先 的 黑 洞 理 论, 还 将 输 掉 一 场 赌 赛。 这 是 一 个 相 当 有 趣 的 故 事。

1997 年, 霍 金 和 来 自 加 利 福 尼 亚 理 工 学 院 的 两 位 科 学 家 奇 普 梭 恩、 约 翰 普 里 斯 基 尔 为 各 自 的 黑 洞 理 论 设 下 了 一 场 赌 局 : 霍 金 和 奇 普 梭 恩 认 为 黑 洞 会 将 信 息 尽 收 腹 中 而 永 远 不 会 释 放; 约 翰 普 里 斯 基 尔 则 认 为 黑 洞 具 有 一 些 不 为 人 知 的 筛 孔, 信 息 将 通 过 这 些 筛 孔 安 全 撤 离 黑 洞。 胜 利 方 将 获 得 自 己 选 择 的 一 套 百 科 全 书。

普 里 斯 基 尔 教 授 在 他 的 个 人 网 页 上 用 形 象、 生 动 的 语 言 介 绍 了 这 个 赌 局 及 其 背 后 的 深 奥 理 论 :

"霍 金 原 先 的 黑 洞 蒸 发 - - 消 失 理 论 是 一 个 了 不 起 的 见 识, 理 论 物 理 界 的 很 多 人 很 多 年 后 才 完 全 意 识 到 霍 金 所 提 出 的 这 个 问 题 的 深 度。 他 的 理 论 曾 经 在 基 础 物 理 界 引 发 了 一 场 真 正 的 危 机, 让 我 们 看 起 来 不 得 不 至 少 放 弃 一 条 我 们 所 珍 爱 的 信 仰。 为 此, 霍 金 还 提 出 过 激 进 的 建 议, 认 为 需 要 修 改 量 子 理 论 的 基 础。"

现 在, 在 都 柏 林 的 会 场 上, 霍 金 在 这 场 赌 局 中 做 出 了 让 步。

然 而 普 里 斯 基 尔 并 没 有 因 为 自 己 赢 得 赌 赛 而 兴 奋, "史 蒂 芬 心 灵 的 改 变 令 我 惊 讶; 为 什 么 这 个 新 观 点 如 此 强 大 而 令 他 甘 愿 推 翻 自 己 已 经 锲 而 不 舍 地 坚 持 将 近 30 年 的 立 场, 对 于 我 来 说, 还 不 清 楚 其 中 的 原 因。"

普 里 斯 基 尔 说, 这 甚 至 令 他 有 些 许 难 过 : 在 过 去 的 这 些 年 里, 史 蒂 芬 和 他 就 黑 洞 信 息 之 谜 有 过 很 多 讨 论, 他 一 直 享 受 着 这 些 讨 论 所 带 来 的 乐 趣, 并 从 中 学 到 东 西, 即 使 他 们 在 讨 论 中 彼 此 意 见 不 和。 "我 们 现 在 真 的 站 到 了 一 个 立 场 上, 将 来 也 许 会 发 现 别 的 可 以 争 论 的 东 西, 但 没 有 什 么 像 黑 洞 信 息 问 题 这 样 更 深 刻 有 趣 了。"

不 过, 普 里 斯 基 尔 对 他 赢 得 的 战 利 品 倒 是 很 满 意 : 霍 金 赠 给 他 一 套 棒 球 百 科 全 书。

仅 仅 是 数 学 结 论 ? 一 切 依 然 是 未 知 数

原 先 站 在 霍 金 一 边 的 奇 普 梭 恩 还 拒 绝 认 输。 "我 还 需 要 看 到 更 多 的 叙 述 才 会 让 步," 但 他 又 补 充 道 : "不 过 我 觉 得 斯 蒂 芬 的 决 定 多 半 是 正 确 的。"

奇 普 梭 恩 不 愿 马 上 认 输 的 原 因 很 简 单 : 他 和 他 的 打 赌 对 手 普 里 斯 基 尔 都 没 有 理 解 霍 金 的 新 理 论, 他 如 果 现 在 认 输, 究 竟 输 在 哪 儿 都 不 知 道。

同 样, 普 里 斯 基 尔 也 还 不 知 道 自 己 为 什 么 赢 了。 霍 金 在 演 讲 中 表 示, 他 的 最 新 计 算 显 示 了 视 界 (即 黑 洞 的 表 面), 充 满 了 "量 子 扰 动"。 而 这 恰 恰 和 量 子 力 学 的 核 心 理 论 之 一、 著 名 的 海 森 堡 测 不 准 原 理 所 阐 述 的 内 容 相 似 - - 这 些 量 子 扰 动 能 够 使 得 被 黑 洞 吸 收 的 信 息 逐 渐 释 放 出 来, 这 样, 原 先 "黑 洞 悖 论" 的 结 就 很 自 然 地 打 开 了。

"我 并 不 完 全 同 意 他 的 新 观 点。 我 希 望 霍 金 在 一 个 月 左 右 后 发 表 的 论 文 里, 能 提 供 他 在 发 言 中 未 能 透 露 的 细 节。 我 有 一 种 强 烈 的 感 觉, 霍 金 的 新 方 法, 即 使 它 被 广 泛 地 接 受, 也 将 会 留 下 挥 之 不 去 的 关 于 信 息 是 通 过 怎 样 清 晰 的 路 径 而 逃 逸 的 问 题。" 普 里 斯 基 尔 说。

参 加 了 GR17 大 会 的 一 些 物 理 学 家 仍 然 支 持 史 蒂 芬 早 先 的 观 点, 对 他 推 翻 自 己 的 说 法 很 是 悲 伤。 其 他 物 理 学 家 则 纷 纷 质 疑 霍 金 是 否 真 正 解 决 了 "黑 洞 悖 论" 这 个 由 来 已 久 的 问 题。 "这 还 不 能 让 我 信 服," 来 自 密 尔 沃 基 的 威 斯 康 星 州 大 学 的 物 理 学 家 约 翰 弗 来 德 曼 在 接 受 美 国 《科 学》 杂 志 采 访 时, 对 霍 金 使 用 的 数 学 方 法 (欧 氏 路 线 积 分 法) 提 出 质 疑。

量 子 领 域 的 理 论 学 家 有 时 会 乐 意 采 用 这 种 欧 氏 路 线 积 分 法 来 解 决 离 子 和 场 中 的 问 题。 但 是, 这 种 方 法 有 时 会 遇 到 无 穷 极 限 的 问 题, 这 是 大 多 数 引 力 理 论 学 家 尽 量 避 免 使 用 这 种 方 法 的 原 因。 他 们 更 愿 意 选 择 一 些 更 加 直 接 的 数 学 方 法, 例 如 洛 伦 兹 函 数 来 计 算 引 力 问 题。 目 前, 还 没 有 人 能 够 证 明 这 两 种 方 法 最 后 能 够 获 得 同 样 的 计 算 结 果。

弗 来 德 曼 说, 如 若 不 然, 那 么 霍 金 的 结 论 至 多 只 能 是 一 个 数 学 答 案, 而 非 一 条 普 遍 定 律。

尽 管 如 此, 如 同 罗 伯 特 曼 所 说, 无 论 最 终 的 结 果 怎 样, 霍 金 的 新 理 论 不 会 影 响 到 今 天 中 午 你 将 吃 些 什 么, 但 是 他 的 新 思 想 却 一 定 会 是 人 类 想 象 力 的 又 一 道 美 妙 大 餐。
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