霍金願賭服輸-科學人雜誌
科學人新聞

霍金願賭服輸

2004/11/08 柯林斯(Graham P. Collins)
這是一場關於黑洞的賭局……

重點提要

今年7月霍金指出,他已經解決了關於黑洞資訊的弔詭,此項宣布引起媒體關注。不過,要說服所有的學者相信這個 說法,霍金還得提出算式才能證明!
拿出數學算式來!這可能是物理學界針對霍金(Stephen W. Hawking)今年7月的聲明,所做出的結論。霍金所指出的是他已經解決了黑洞資訊的弔詭,一躍而成報章雜誌的頭條。這項弔詭是量子物理和重力理論之間的根本難題,由霍金自己在30年前發現。即使在英國都柏林舉辦的第17屆廣義相對論會議中,他已經提出新理論的綱要,但是他卻尚未發表研究論文以羅列出推論所需要的詳細數學步驟。美國加州大學聖巴巴拉分校的物理學家普金斯基(Joe Polchinski)就表示:「我們正等著看他的論文。」

資訊的弔詭來自於黑洞的兩種自相矛盾特性。就古典的分析來說,如果不考慮量子力學,所有東西只要落入黑洞的事件視界,就會永遠消失在這個宇宙之中。任何東西(包括光和資訊)的速度就算再快,都不可能逃脫黑洞強大的重力魔掌。1974年,霍金發現了可以從黑洞的魔掌中逃逸出來的量子縫隙,他推導出,黑洞實際上應該會發射出稀疏散亂的粒子和輻射(現在稱為「霍金輻射」)。


在霍金發表於1976年的一篇論文中強調,問題在於無規則性,因為這會違反量子物理的一項根本而重要的特性:么正性(unitarity)。本質上,么正性主張資訊應該受到保存:要是一部百科全書掉進黑洞,之後它的質量會轉換成霍金輻射發射出來,因此,原則上百科全書中記載的所有資訊,都應該包含在所發射出的輻射之中。(當然了,要是百科全書已化為灰燼,這些資訊實際上是無法恢復的。)


但霍金輻射的無規則性卻會使這些資訊散逸,這項結果也使許多物理學家感到猶疑。美國哈佛大學的弦論學者斯楚明格(Andrew Strominger)認為:「我無法相信霍金1976年所提出的主張,但是我也不知道他的計算哪裡有錯。」大約10年前,物理學家就利用弦論的數學技巧,找出分析黑洞的方法。分析結果顯示,在黑洞蒸發的過程中,么正性與資訊會得到保存(以弦論來進行分析,本質上就是么正的)。不幸的是,弦論的計算結果並未顯示霍金1976年的計算有何錯誤。不管如何,如果錯的不是霍金的推論過程(但物理學家認為它「簡單又漂亮」),就是其中的某一項假設(這將會是對宇宙本質的一項重大發現)。


霍金最近這項成果所運用的技巧,並非他在1976年的那一套,而是建立在普林斯頓大學弦論理論學者馬多西納(Juan Maldacena)最近的研究上。概略來說,霍金認為,只要你能等到黑洞完全蒸發掉,么正性以及資訊便會獲得令人滿意的保存。只有在黑洞蒸發的過程中,才會顯露出資訊流失的跡象。不過,不管是他1976年的分析,或是最近的弦論計算,關於資訊如何從黑洞中浮現,或是黑洞的這種對立特性應該如何解決,他的分析中都沒有詳細交代。


而且,這也讓許多物理學家開始搔頭摸耳。以色列耶路撒冷希伯來大學的柏肯斯坦(Jacob D. Bekenstein)就說:「當時我人就在都柏林,但是卻無法了解霍金要講的重點,與我交談過的其他學者也是一樣。」美國加州理工學院的索恩(Kip S. Thorne)也說:「學者間要達到共識,可能還要好幾年。」有些人對於霍金尚未發表論文就先行公開意見的做法感到不滿;不過有些人還是覺得高興的,姑且不論霍金個人抱持的特殊理由,至少他現在可以同意弦論學者講了快10年的想法了。有些人(例如柏肯斯坦)認為,資訊弔詭在霍金這次公開聲明前就已經有解了,「這幾年來它不過是在混淆視聽而已。」


不過,即使有弦論以及霍金的抬轎,其他人並不是那麼確定這個懸案會就此結束。美國哈佛大學物理學家伐發(Cumrun Vafa)認為,要讓這個弔詭有個決定性的結論,還有很多的工作得做。「黑洞么正性的問題有很多面向,我們很難相信,單單一篇論文就可以把它完結,不管是誰發表的都一樣!陪審團還沒有做出最後的裁決。」


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2004年第33期11月號】


# 關鍵字:科學人新聞物理
更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人