方玄昌　馮亦斐　黃步紅

“我很抱歉，我讓科幻愛好者們失望了”

全世界的科學(xué)家都沒有完全理解霍金的新理論，但他的思想?yún)s是人類想象力的一道美妙大餐

2004年7月21日，在愛爾蘭首都都柏林舉行的“第十七屆國際廣義相對論和萬有引力”大會(GR17大會)上，《時間簡史》的作者、英國劍橋大學(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)中重要的一個問題：黑洞究竟有沒有破壞被其吞噬的信息。

大會上，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題。

“30年來，這個一直困擾著我的問題終于得到解決，這真是太好了，”霍金在演講中這樣說道。他的有關(guān)論文將在近日發(fā)表，他將在論文中進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，與在會的其他800名物理學(xué)家一起聽取了霍金的演講。

“聽完他的講話后，幾乎無人能夠理解他所說的內(nèi)容，大概只有霍金自己明白這些東西?！绷_伯特·曼這樣評價這場天才的演講。它讓人聯(lián)想到當年“全世界只有3個人理解相對論”的情形。

羅伯特·曼盡量用生動、淺顯的語言來解釋霍金理論的前后不同。

“40年前，人們開始認真思考黑洞，認為外人(黑洞外的觀測者)能夠獲得黑洞僅有的信息就是質(zhì)量、電荷、角動量，這意味著，如果你用任何一種物質(zhì)來做成黑洞，比如壓碎的聽裝啤酒瓶、壓扁的恒星、還是其它什么，外人都無法分辨出黑洞里面到底是什么東西?！?/p>

“霍金30年前的理論認為，從量子力學(xué)的角度來考慮，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)等都開始輻射，開始蒸騰、四溢。問題在于，霍金原先的計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)的輻射沒有任何差別。所以，當黑洞變得越來越小，最后蒸發(fā)到?jīng)]有時，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)無法復(fù)原那些信息?！?/p>

這種理論從誕生之初就遇到了麻煩：它同很多科學(xué)家堅持的“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世紀的科學(xué)家斷定了能量守恒定律一樣，20世紀的許多科學(xué)家提出了信息守恒一說——假如這個說法成立，那么“信息守恒定律”無疑將成為科學(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?；艚鸬暮诙蠢碚撘鸬募ち覡巿?zhí)就是“信息”在黑洞中是否能夠保存、守恒。

羅伯特·曼介紹說，大多數(shù)的物理學(xué)家都認為，任何信息都不能被破壞，否則將違背因果律，“出于對因果關(guān)系的深信不疑，在給出初始條件的情況下，物理學(xué)的工作就是通過過去預(yù)知未來?！边@意味著，如果信息被破壞了——如同霍金30年前的理論所說，未來就根本無法通過信息來預(yù)知。

30年間霍金堅持：“信息守恒定律”在黑洞里失效。“在黑洞里，信息確實丟失了。如果它丟失了，它會進入另外一個空間，這個空間稱作嬰兒宇宙，顧名思義，嬰兒宇宙來自我們的這個宇宙。”

但現(xiàn)在霍金宣布，他使用歐氏路線積分數(shù)學(xué)方法，證明出新的答案——信息進入黑洞之后并未被破壞掉，“如果你進入一個黑洞，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?！?/p>

“新的理論經(jīng)過進一步推測還將得到另一個結(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的說法?！绷_伯特·曼說。

“我很抱歉，我讓科幻愛好者們失望了?！被艚鹪谘葜v中這樣說。

霍金愿賭服輸，勝者興味索然

對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)問的方式是相當戲劇化的：他會提出一條理論，并且在它被其他更好的論證推翻之前，一直堅持到底?！?/p>

霍金如果放棄他原先的黑洞理論，還將輸?shù)粢粓鲑€賽。這是一個相當有趣的故事。

1997年，霍金和來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)下了一場賭局：霍金和奇普·梭恩認為黑洞會將信息盡收腹中而永遠不會釋放；約翰·普里斯基爾則認為黑洞具有一些不為人知的篩孔，信息將通過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。

普里斯基爾教授在他的個人網(wǎng)頁上用形象、生動的語言介紹了這個賭局及其背后的深奧理論：

“霍金原先的黑洞蒸發(fā)——消失理論是一個了不起的見識，理論物理界的很多人很多年后才完全意識到霍金所提出的這個問題的深度。他的理論曾經(jīng)在基礎(chǔ)物理界引發(fā)了一場真正的危機，讓我們看起來不得不至少放棄一條我們所珍愛的信仰。為此，霍金還提出過激進的建議，認為需要修改量子理論的基礎(chǔ)?！?/p>

現(xiàn)在，在都柏林的會場上，霍金在這場賭局中做出了讓步。

然而普里斯基爾并沒有因為自己贏得賭賽而興奮，“史蒂芬心靈的改變令我驚訝；為什么這個新觀點如此強大而令他甘愿推翻自己已經(jīng)鍥而不舍地堅持將近30年的立場，對于我來說，還不清楚其中的原因?！?/p>

普里斯基爾說，這甚至令他有些許難過：在過去的這些年里，史蒂芬和他就黑洞信息之謎有過很多討論，他一直享受著這些討論所帶來的樂趣，并從中學(xué)到東西，即使他們在討論中彼此意見不和。

“我們現(xiàn)在真的站到了一個立場上，將來也許會發(fā)現(xiàn)別的可以爭論的東西，但沒有什么像黑洞信息問題這樣更深刻有趣了?！?/p>

不過，普里斯基爾對他贏得的戰(zhàn)利品倒是很滿意：霍金贈給他一套棒球百科全書。

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·梭恩還拒絕認輸。“我還需要看到更多的敘述才會讓步，”但他又補充道：“不過我覺得斯蒂芬的決定多半是正確的?！?/p>

奇普·梭恩不愿馬上認輸?shù)脑蚝芎唵危核退拇蛸€對手普里斯基爾都沒有理解霍金的新理論，他如果現(xiàn)在認輸，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，他的最新計算顯示了視界(即黑洞的表面)，充滿了“量子擾動”。而這恰恰和量子力學(xué)的核心理論之一、著名的海森堡測不準原理所闡述的內(nèi)容相似——這些量子擾動能夠使得被黑洞吸收的信息逐漸釋放出來，這樣，原先“黑洞悖論”的結(jié)就很自然地打開了。

“我并不完全同意他的新觀點。我希望霍金在一個月左右后發(fā)表的論文里，能提供他在發(fā)言中未能透露的細節(jié)。我有一種強烈的感覺，霍金的新方法，即使它被廣泛地接受，也將會留下?lián)]之不去的關(guān)于信息是通過怎樣清晰的路徑而逃逸的問題?！逼绽锼够鶢栒f。

參加了GR17大會的一些物理學(xué)家仍然支持史蒂芬早先的觀點，對他推翻自己的說法很是悲傷。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”這個由來已久的問題。“這還不能讓我信服，”來自密爾沃基的威斯康星州大學(xué)的物理學(xué)家約翰·弗來德曼在接受美國《科學(xué)》雜志采訪時，對霍金使用的數(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)家有時會樂意采用這種歐氏路線積分法來解決離子和場中的問題。但是，這種方法有時會遇到無窮極限的問題，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)來計算引力問題。目前，還沒有人能夠證明這兩種方法最后能夠獲得同樣的計算結(jié)果。

弗來德曼說，如若不然，那么霍金的結(jié)論至多只能是一個數(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，無論最終的結(jié)果怎樣，霍金的新理論不會影響到今天中午你將吃些什么，但是他的新思想?yún)s一定會是人類想象力的又一道美妙大餐。