黑洞信息悖论似乎很难解决

如果信息不能被摧毁，那么当一个吞噬了一个装满信息的大肚子的黑洞消失时会发生什么?

物理学家斯蒂芬·霍金首次提出的一个看似难以解决的黑洞悖论，终于可以通过穿越时空的虫洞来解决。

“黑洞信息悖论”指的是信息不会在宇宙中毁灭，但当一个黑洞最终蒸发时，被这个宇宙真空吸尘器吞噬的任何信息应该早就消失了。这项新研究提出，这个悖论可以通过自然界的终极作弊密码——虫洞或时空通道来解决。

“虫洞将黑洞内部和外部辐射连接起来，就像一座桥，”日本理研所跨学科理论与数学科学项目的理论物理学家后藤加人(Kanato Goto)在一份声明中说。

根据后藤的理论，第二个表面出现在黑洞的视界内，这一边界是任何东西都无法逃脱的。来自虫洞的线将这个表面与外部世界连接起来，将信息纠缠在黑洞内部和其边缘泄漏的辐射之间。

黑洞信息悖论

20世纪70年代，霍金发现黑洞并不完全是黑色的，但一开始，他并没有意识到自己造成的巨大问题。在他发现黑洞之前，物理学家认为黑洞非常简单。当然，各种复杂的东西都掉进去了，但是黑洞把所有的信息都锁起来了，再也看不见了。

但霍金发现黑洞会释放辐射，并最终会完全蒸发，这个过程现在被称为霍金辐射，但这种辐射本身并不携带任何信息。事实上,它不能;根据定义，黑洞的视界阻止信息离开。所以，当一个黑洞最终蒸发并从宇宙中消失时，它所有被锁定的信息都去了哪里?

这就是黑洞信息悖论。一种可能性是信息可以被破坏，这似乎违反了我们对物理学的所有了解。(例如，如果信息可能丢失，那么您就无法从当前事件中重建过去，或预测未来事件。)相反，大多数物理学家试图通过寻找某种方法来解决这个悖论——任何一种方法——让黑洞内部的信息通过霍金辐射泄露出去。这样，当黑洞消失时，信息仍然存在于宇宙中。

不管怎样，描述这一过程都需要新的物理学。

“这表明目前的广义相对论和量子力学是不一致的，”后藤说。“我们必须找到量子引力的统一框架。”

一个关于两个熵的故事

1992年，霍金的前研究生、物理学家唐·佩奇(Don Page)从另一个角度看待信息悖论问题。他从量子纠缠开始研究，量子纠缠是指遥远的粒子命运相连。这种纠缠就像霍金辐射和黑洞本身之间的量子力学联系。Page通过计算“纠缠熵”来测量纠缠量，“纠缠熵”是一种测量纠缠霍金辐射中包含的信息量的方法。

在霍金最初的计算中，没有信息逃逸，纠缠熵一直在增加，直到黑洞最终消失。但佩奇发现，如果黑洞确实释放信息，纠缠熵最初会增长;然后，在黑洞生命周期的一半，它在最终达到零之前下降，当黑洞蒸发(意味着黑洞内的所有信息最终逃逸)。

如果佩奇的计算是正确的，这表明如果黑洞确实允许信息逃逸，那么在它们生命的中途一定会发生一些特殊的事情。虽然佩奇的工作没有解决信息悖论，但它确实给了物理学家一些有趣的工作。如果他们能给黑洞一个中年危机，那么这个解决方案可能正好解决这个悖论。

通过虫洞

黑洞天鹅座X-1正在从一颗巨大的蓝色伴星中吸取物质。一旦这些“东西”到达视界，就无法逃脱了，对吧?

最近，几个理论团队已经运用弦理论的数学技术来检验这个问题——弦理论是一种统一爱因斯坦相对论和量子力学的方法。他们正在研究视界附近的时空如何可能比科学家最初想象的更复杂。多复杂?尽可能的复杂，允许任何形式的弯曲和弯曲在微观尺度上。

他们的研究导致了两个令人惊讶的特点：

• 一个是在事件视界下方出现了“量子极值面”。这个内部表面缓和了离开黑洞的信息量。最初，它做的不多。但当黑洞的寿命过半时，它开始主导纠缠态，减少了释放的信息量)，所以纠缠态熵符合佩奇的预测。
• 其次，计算揭示了虫洞的存在——很多虫洞。这些虫洞似乎连接了量子极值表面和黑洞的外部，允许信息绕过事件视界，以霍金辐射的形式释放出来。

但之前的工作只应用于高度简化的“玩具”模型(如一维版本的黑洞)。随着后藤的研究，同样的结果现在已经被应用到更现实的场景中——这是一个重大的进步，使这项研究更接近于解释现实。

问题

尽管如此，还是有很多问题：

• 首先，我们还不清楚数学中出现的虫洞是不是我们认为的时间和空间捷径。

它们深埋在数学中，很难确定它们的物理意义。一方面，这可能意味着字面上的虫洞在一个正在蒸发的黑洞中进进出出。或者，这可能只是黑洞附近时空是非局域的标志，这是纠缠的标志——两个纠缠粒子不需要因果接触就可以相互影响。

• 另一个主要问题是，虽然物理学家已经找到了一种可能的机制来缓解这个悖论，但他们不知道它实际上是如何工作的。目前还没有一个已知的过程能够将黑洞内的信息转化为霍金辐射。换句话说，物理学家已经找到了一条解决信息悖论的可能之路，但他们还没有找到任何方法来制造沿着这条路行驶的卡车。

“我们仍然不知道信息如何被辐射带走的基本机制，”后藤说。“我们需要量子引力理论。”