霍金黑洞悖论（科学家解决了黑洞信息悖论）

霍金悖论黑洞的信息悖论。这是更大的问题，至今仍未解决。

【博科公园-科普】随着斯蒂芬霍金的去世，科学不仅失去了最著名的公众人物，也失去了一位研究黑洞本质的杰出研究者。

图为英国物理学家、宇宙学家斯蒂芬霍金(1942-2018)。

尽管霍金和s的一篇论文可能更侧重于当今宇宙学面临的一些挑战，他更大的科学贡献(如霍金辐射)在于通过研究宇宙中最极端的物体(黑洞)揭示了宇宙中一些不可思议的量子事实。

图注在黑洞的事件视界之外，广义相对论和量子场论完全足以理解所发生的物理现象，这就是霍金辐射。但即使两者结合，也会导致信息悖论无法解决。图片版权NASA

黑洞曾经被认为是静态的，不可改变的，只由它们的质量、电荷和旋转来定义。通过将它们转化为温度，它们发出辐射，并最终随着时间的推移而蒸发。，这个公认的科学结论——推断了霍金辐射的存在和性质，黑洞提供了一种毁灭宇宙信息的方式。虽然世界上最聪明的人花了40多年来解决这个问题，但黑洞信息的悖论并没有得到解决。

图注物体被黑洞吞噬时，物质的熵取决于其物理特性。在黑洞内部，只有质量、电荷和角动量的特性才是重要的。如果热力学第二定律必须保持真实正确，这将是一个大问题。图像信息和版权NASA/CXC/M . Weiss；x射线(上):美国航天局/CXC/MPE/S .科莫萨等人(左)；optical : ESO/MPE/S . Komossa(R)

热力学第二定律是宇宙中最神圣不可侵犯的定律之一选择任何你喜欢的系统，don 不要让任何东西进入或离开，系统的熵不会自发减少。鸡蛋汤 它们不会自发破裂，温水永远不会分成冷热两部分，灰烬在燃烧前永远不会重新组合成物体的形状。这些都是减少熵的例子，本质上不会发生。

熵可以保持不变，大多数情况下会增加，但绝不会回到低熵状态。事实上，人为降低熵的唯一 是向一个系统注入能量。欺骗第二定律是通过增加系统外的熵来增加系统内的熵(打扫房子就是一个例子)。简而言之，熵永远不会被毁灭。

图例黑洞质量是事件视界半径的唯一决定因素，对于非旋转孤立黑洞。长期以来，人们认为黑洞是宇宙时空中的静止物体。图片信息及版权sxssteamBohn等人，2015年

长期以来关于黑洞的想法是熵为零，但这是错误的。如果让一个黑洞产生非零熵，然后把这些物质扔进黑洞，熵会上升或保持不变，但永远不会下降。黑洞熵的概念可以追溯到约翰惠勒(john wheeler)，他在思考当一个物体从视界外的观察者进入黑洞时会发生什么。从远处看，有些人会逐渐靠近事件视界，由于引力红移而变得更红，在无限长的时间内到达事件视界，因为相对论时间膨胀开始生效。，从任何 坠落 信息，似乎信息被编码在黑洞本身的表面区域。

图注黑洞表面编码的信息可以是比特信息，比特信息与视界的表面积成正比。图像信息和版权t . b . Bakker/j . p . van der Schaar博士，阿姆斯特丹大学。

因为黑洞的质量决定了事件视界的大小，这就为黑洞的熵提供了一个天然的位置事件视界的表面积突然产生巨大的熵，在特定大小的事件视界上可以编码量子比特的数量。任何有熵的东西都是有温度的，也就是说它是有辐射的。正如霍金已经证明的那样，黑洞会发出特定(黑体)光谱和温度的辐射，这是由黑洞的质量决定的(即霍金辐射)。

随着时间的推移，能量的释放意味着黑洞正在失去质量(爱因斯坦 著名的E=mc^2(质量能量方程))。如果能量被释放，它一定来自某个地方，而且 某处 一定是黑洞本身。随着时间的推移，黑洞失去质量的速度会越来越快，直到遥远的未来，黑洞会彻底蒸发。

图注在一个永恒的黑暗背景中，会出现一道光宇宙中最黑洞的蒸发。图像信息和版权ortega-pictures/pixabay

这是一个很棒的故事，但有一个问题黑洞发出的辐射是一个纯黑体，这意味着它具有相同的属性，就像拿一个完全黑色的物体，加热到特定的温度。所以，对于所有一定质量的黑洞，辐射都是完全一样的，这是最重要的不管信息是什么，也不管是否在视界上留下印记，根据热力学定律，都是不可能的！这相当于销毁信息。

图注一切燃烧的东西看起来都被毁灭了，但如果从火中出来的东西都可以被追溯，理论上未燃烧状态之前的一切都可以被恢复。

如果刻录两本大小相同但内容不同的书，实际上可能无法重建其中任何一本书的文本。纸张上的墨水图案、分子结构的变化和其他微小差异都包含信息，这些信息仍然编码在烟雾、灰烬、周围空气和所有其他传播颗粒中。如果你能以任何精确的方式监控书籍周围的环境，包括书籍，你就能重建所有你想要的信息。信息会混乱，但不会丢失。但黑洞信息的悖论是，一旦黑洞视界上留下的信息全部蒸发，就不会在我们的哈勃体积中留下任何痕迹(即哈勃体积直径约1000亿光年)(无法重构)。

图注模拟的黑洞衰变不仅会导致辐射的释放，还会使大多数物体保持稳定的中心轨道质量衰变。黑洞不是静止的物体，而是随时间变化的。但不同物质形成的黑洞，视界上应该有不同的信息码。图像信息和版权欧盟 交流科学

这种信息丢失应该被量子力学的规则所限制，任何系统都可以用量子波函数来描述，每个波函数都是唯一的。如果在时间上发展量子系统，两种不同的系统不可能达到相同的最终状态，但这正是信息悖论所暗示的。据目前所知，有两件事必须发生

1、当黑洞蒸发时，任何信息都会以某种方式被破坏，告诉我们有关于黑洞蒸发的新规则和规律

2、或者释放出的辐射包含了这些信息、这意味着霍金辐射比我们迄今为止所做的计算还要多。

这个悖论在它之一次被发现到限制40多年后的今天白癜风网小编仍然没有得到解决。

图注贯穿整个空间的量子涨落的例证。如果这些波动是由黑洞产生的，那么在黑洞中发出的霍金辐射，就有可能被保存在一个事件视界上。图片信息及版权NASA/CXC/M.Weis

虽然霍金的原始计算表明通过霍金辐射蒸发会破坏黑洞事件视界上的任何信息，但现代认为必须在出辐射中编码这些信息。许多物理学家喜欢全息原理，指出编码在黑洞表面上的信息对纯粹热霍金辐射状态进行量子校正，当黑洞蒸发掉并且事件视界缩小时，将其自身特征印在辐射上。尽管霍金，约翰普雷斯基尔，基普索恩，杰拉德霍夫特和伦纳德苏斯金德在这个问题上下了赌注并宣布胜利和失败，但这个悖论仍然非常活跃热热门并且没有解决。

图注黑洞事件视界是一个球形或球形区域，从中不会有任何物体甚至光也不能逃脱。但在事件视界之外，黑洞被预测会发出辐射。1974年霍金是之一个证明这一点的人。图片信息及版权NASA Jrn Wilms (Tübingen) et al. ESA

尽管科学家尽了更大的努力，但目前是仍然不了解信息是否在辐射能量（和质量）时从黑洞中“泄漏”出来。如果黑洞泄露了信息，目前还不清楚这些信息是如何泄漏出去的。也许这就是人们希望在科学中实现的最伟大的遗产发现一个如此复杂的新问题，以至于需要多代人才能达成解决方案。在这种特殊情况下，大多数人都认同解决方案应该是什么样子，没有人知道如何实现。直到解决之前，黑洞信息悖论仍然是霍金与世界分享无与伦比神秘礼物的另一部分。

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作者Ethan Siegel（天体物理学家）

内容经“博科园”判定符合今主流科学

来自Forbes Science

编译公子世无双

审校博科园

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