物理

逃出黑洞

量子資訊必須掙脫黑洞的枷鎖,才能挽救量子力學。黑洞影像和重力波的觀測結果或許能告訴我們,該如何達成此事。

撰文/吉丁茲(Steven B. Giddings)
翻譯/李沃龍

物理

逃出黑洞

量子資訊必須掙脫黑洞的枷鎖,才能挽救量子力學。黑洞影像和重力波的觀測結果或許能告訴我們,該如何達成此事。

撰文/吉丁茲(Steven B. Giddings)
翻譯/李沃龍


2019年4月10日,人類首次目睹了黑洞的輪廓。事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)團隊運用並整合遍及全球的電波望遠鏡網絡,公佈了這個具有65億太陽質量且鄰近M87星系中心之黑洞的影像。這是一項驚人的成就:我們長久以來即預測黑洞存在,卻從未直接「看見」,這是首次拍攝到宇宙中最神秘的天體。更令人興奮的是,這些黑洞影像與後續的觀測結果將為物理學中最深奧的謎團提供線索。


這個費解之謎是關於黑洞內物理資訊的「弔詭」。物理學家僅研究這個謎團就發現,黑洞的存在牴觸了迄今用來描述宇宙中其他事物的量子力學定律。解決這個弔詭可能需要深刻地改革基本觀念,有如量子力學推翻了古典物理。


理論學家探討過許多概念,仍未找到直接證據以解決這謎團。不過,第一幅黑洞影像開始為我們的理論提供實際數據;EHT後續的觀測結果,特別是黑洞隨著時間演化的觀測結果,以及最近利用重力波觀測站直接偵測黑洞的碰撞事件,或許可提供新的重要線索,協助引領物理學進入嶄新的時代。


量子資訊問題


黑洞雖然異常神秘,但似乎大量存在於宇宙之中;EHT的觀測結果和重力波的偵測結果,就是最新且最扎實的證據,證實這種近乎虛幻的天體確實存在,而且非常普遍。不過,黑洞的存在威脅了現今物理學的基礎;一般認為,量子力學的基本原理支配了其他的自然定律,用於黑洞時卻產生矛盾,暴露出這些定律的當前形式有所缺失。


這個問題源自一道關於黑洞的最簡單疑問:當物質墜入黑洞時會發生什麼事?在此,需稍加鋪陳,才能充份解釋這道疑問。首先,根據目前的量子力學法則,物質與能量可在不同的型態間轉換,例如粒子可變成不同種類的粒子。但量子資訊永遠不被摧毀,是唯一不可更動的特性。如果我們知道某個系統完整的量子描述,就應該永遠能夠確定早先或後續的量子描述,絲毫不會漏失任何資訊。因此,此疑問更精確的說法是,墜入黑洞的量子資訊究竟發生了什麼事?


我們對黑洞的理解源自愛因斯坦的廣義相對論,它指出重力是時空曲率的產物;人們常以沉重的球置於彈簧墊上,造成彈簧墊表面凹陷變形來想像此概念。時空扭曲導致具有質量的物體和光的行進軌跡發生偏折,而這種現象就是所謂的重力。當質量分佈在一個足夠小的區域,引起周遭的時空嚴重變形,連光都無法逃離稱為事件視界的邊界時,該區域就形成了黑洞。任何事物的行進速度都不會比光還快,包括資訊在內,因此一切事物便被封鎖在那道邊界之內;當資訊隨著物質與光一起墜入事件視界時,黑洞就成了宇宙的排水口。


不過,這個故事還有更詭異的發展。1974年,霍金(Stephen Hawking)提出重大發現,預測了黑洞會蒸發消散。這項發現衍生出黑洞將摧毀量子資訊的驚人概念。根據量子力學,成對的「虛粒子」會在任何時間、任何地點形成。通常,這樣的粒子對包含一個粒子與其反粒子,而且在形成後便迅速湮滅了。但當這對粒子在黑洞的周遭形成時,其中一個粒子可能出現於黑洞邊界之內,而另一個則在邊界外。外頭的粒子會帶著能量逃離此區域,能量守恆定律告訴我們,黑洞因而喪失能量。長久下來,粒子的逃離將造成黑洞不斷萎縮,直到完全消失殆盡。問題是,這些稱為霍金輻射的逃離粒子並未攜帶任何關於墜入黑洞之粒子的訊息。因此,霍金的這項預測似乎顯示墜入黑洞的量子資訊最終將被摧毀,明顯牴觸了量子力學。


這個意料之外的設想引發了物理學的深刻危機。以往,這樣的危機會導致物理學重大的躍進。例如在20世紀初始,古典物理似乎預言原子必然不穩定,明顯違反了物質穩定存在的事實。這個問題在隨後的量子革命扮演關鍵角色。由於原子內的電子不斷改變運動方向,古典物理顯示這些電子會輻射發光,喪失能量因而墜入原子核裡。但波耳(Niels Bohr)在1913年提出新構想:電子實際上只能在量子化的軌域上運行,而不會墜入原子核。這項基本原理幫助建構量子力學的基礎,進而澈底重寫自然定律。黑洞危機也可能引發另一波物理學的典範轉移。


量子另類答案


當霍金首次預測黑洞蒸散時,認為量子力學一定出錯了,才會允許資訊被摧毀。不過物理學家迅即理解到,摧毀資訊勢必導致能量守恆定律失效,進而澈底否定我們目前對宇宙的描述。物理學家顯然必須另尋出路,以解決這個問題。


另一個早期構想認為,黑洞並不會完全蒸散,在萎縮至極小的尺度後便停止蒸發,留下一個包含原有資訊的微小殘骸。但科學家發現,如果此說法成立,量子物理將出現災難性的不穩定,導致一般物質爆炸而形成這類殘骸,同時牴觸我們日常生活的經驗。......