破解黑洞信息丢失之谜
——访中科院武汉物数所副研究员蔡庆宇
“黑洞信息丢失”问题是上世纪70年代霍金在解决黑洞热力学问题时引入量子概念而导致的，几十年来一直是困扰理论物理学家、高能物理学家的不解之谜。最近，中科院武汉物理数学所博士研究生张保成、副研究员蔡庆宇等人提出了一种解决方案，为此，本刊记者借蔡庆宇来清华大学出差的机会采访了他。
记者：听说最近你们提出了一种方案，解决了困扰物理学界30余年的黑洞信息丢失之迷，请详细谈谈你们的想法。
蔡庆宇：信息守恒是自然界的一个基本定律，这在经典物理和量子物理世界里面都是有基本定律保证的。那么信息守恒究竟是什么意思呢？通俗地讲，就是说，如果我们掌握了一个封闭系统演化的初始状态，我们就能预言系统演化的将来的状态；反之，我们也可以通过封闭系统现在的状态去反推它过去的状态。但是当遇到黑洞的时候，这个定律被打破了。在上世纪70年代，霍金发现黑洞不论以什么样的初态形成，它都将演化成一个唯一的终态，即热态。这样，信息在这个演化过程中丢失了，量子力学的幺正性被破坏了。
但是这个结论很多物理学家是不能接受的。后来人们发现，霍金最初计算黑洞辐射的时候，没有考虑反冲效应，或者说是自引力效应。他把时空背景当成是固定的，因而能量守恒并没有被维持。当考虑能量守恒后，最近两位科学家，派瑞克（M.K.Parikh）和瓦尔查克（F.Wilczek），重新计算了黑洞辐射，发现最终的辐射谱并不是一个纯热的谱。基于这个工作，我们继续讨论了信息丢失的问题。
我们的工作在黑洞辐射作为隧穿的图像下，利用统计力学和量子信息的基本理论，证明了黑洞隧穿辐射过程是一个幺正过程。对于黑洞隧穿谱，在以前的研究工作中，物理学家认为辐射之间不存在关联。我们首先使用标准的统计力学方法证明了辐射之间存在关联，并且成功地应用量子信息中互信息量理论，证明辐射之间的关联可以携带信息。同时我们还证明，黑洞辐射整个过程中熵严格守恒。这样一来，黑洞辐射过程中信息就不会丢失，幺正性被维持，从而解开了黑洞信息丢失之迷。我们的理论不仅适用于静态的黑洞，也适用于稳态的黑洞，甚至非对易的黑洞等其他类型的黑洞。可以这么说，我们的理论给出了一个连续隧穿背景下普适的解决黑洞信息丢失问题的方法。在这个意义上，可以说，我们解决了这个长期以来困扰物理学界的难题。关于这方面的内容，详细的可以看我们的文章：Phys.Lett.B675,98,arXiv:0903.0893;arXiv：0906.5033。
最后还要提一点的就是，2004年7月，霍金主动表示自己原来的观点错了，信息应该守恒。原因是先前把黑洞想得太理想化了，把黑洞热辐射也想得太理想化了。为此，霍金曾在2005年的Phys.Rev.D（14，2460）上发表文章阐述他的新观点，不过，他一直没有给出严格的证明来支持自己的新观点。
记者：也就是说霍金发现黑洞辐射，导致了所谓的黑洞信息丢失之迷。那么关于这个问题的历史上的一些情况，能否给我们介绍一下？
蔡庆宇：你说的很对，“黑洞信息丢失之谜”就是“霍金辐射”带来的。确切地说，这个谜指的是，不论最初形成黑洞的物质状态是什么，都将确定地演化为热态。热态意味着辐射之间不存在关联，而且整个辐射过程中伴随着熵增，这与量子力学的幺正性冲突，从而揭示了量子力学与引力理论(广义相对论)之间潜在的冲突。一般来说，黑洞外面的热态或混合态并不是问题，毕竟这只是量子系统的一部分，我们可以用量子力学的纠缠机制解释，信息可能存储在辐射的自由度和黑洞内部自由度之间的关联上。但黑洞最终会辐射完，这时只留下了热辐射。这就是说，当黑洞蒸发完后，我们即使收集到所有的黑洞辐射，可以使用任何的测量办法，但是我们仍然不可能获得哪怕一点的关于黑洞形成前物质状态的信息。换句话说，就是即使我们准确知道最初的量子状态，我们仍然不能够预言最终的量子状态。这就是信息丢失之谜。这样信息在物质坍缩成黑洞后完全丢失了，信息不再守恒了，这和我们的直觉是大相径庭的。我们都希望宇宙或自然是按照一种确定的方式演化的，以便我们总能够通过某些途径来了解过去所发生的事，或预见将来可能发生的事。但是霍金告诉我们，这些都不可能了，因为信息将会在宇宙演化中丢失掉。
但是霍金的观点遭到了一些物理学家的反对，为此霍金还和别的一些物理学家打赌。在关于信息到底守不守恒，量子力学的幺正性究竟对不对的问题上，以霍金和索恩 (K. S. Thorne) 为代表的相对论专家认为，信息不一定守恒，量子力学幺正性完全有可能被破坏。但普瑞斯基 (J. P. Preskill)不同意他们的观点，认为信息一定守恒，量子力学幺正性一定成立。于是他们还和普瑞斯基打赌，赌注是一本《棒球百科全书》。
在对这个问题的研究上，也产生了一些很有趣的理论。有一些科学家认为，黑洞不会完全蒸发，信息将会留在最后的残余（remnant）中。但是这些残余物是否能容纳那么大量的信息，仍然有待商榷。还有一些科学家认为，黑洞会有一些“量子毛”（quantum hair）来记录原来认为丢失了的信息。但是我们仍然不能够确定何种量子毛能携带这么大量的信息。更有趣的是，一些物理学家认为丢失的信息被完全转移到“婴儿宇宙”（baby universe）中，这个宇宙跟我们是不联系的，因此我们并不能获得任何关于黑洞最初形成时的信息。最近一种观点也是非常有吸引力的，它将量子信息理论中“隐形传态”（teleportation）的过程引入到黑洞的蒸发过程中，认为信息能够通过隐形传态的方式被转移出来。但是我们仍然不知道这种量子通道是怎么建立起来的，或者是否有这种量子通道。
记者：但是，我的印象里，黑洞似乎并不能吐出任何东西，那么黑洞辐射又是怎么回事？
蔡庆宇：经典物理的理论中，黑洞的确是只吸收，不辐射的。对黑洞大规模的研究大概是在上世纪60年代展开的，人们从几何和经典物理学弄清楚了很多黑洞的性质，但是还是一直认为黑洞只能吸收不能辐射。突破性的进展在70年代，惠勒的研究生贝肯斯坦（J.D.Bekenstein）在霍金提出的黑洞面积定律的基础上，大胆猜测黑洞的表面积可能是热力学的熵。所谓的熵就是测量一个物理学系统无序程度的量，跟微观状态数有关。但是大家都知道，一个物体如果有熵，就会有温度，有了温度就会有辐射，可是黑洞当时还被认为是不辐射的。所以一开始，贝肯斯坦的建议遭到包括霍金在内的一些科学家的反对。但是有趣的是，还不到一年的时间，霍金的态度就来了一个完全的转变，他不仅承认了黑洞是个热体，能够向外辐射，而且还从理论上严格的证明了这种辐射的确存在。这就是著名的“霍金辐射”。
在这个辐射理论中，霍金创造性的结合了广义相对论、量子力学和热力学，将真空场粒子涨落的概念引入到黑洞周围的时空中。他认为一对粒子会在任何时刻、任何地点被产生，产生的粒子就是正粒子与反粒子。一般情况下，产生的正反粒子很快就会湮灭而不会引起任何可观测的效应。但是如果这一产生过程发生在黑洞附近的话，则会出现一种新奇的现象，即一个粒子可能被吸入黑洞，而另一个粒子则逃逸到无穷远。这一现象可以被详细的描述为：在黑洞附近产生的一对粒子，其中反粒子会被吸入黑洞，而正粒子会逃逸，由于能量不能凭空产生，我们设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，同时从无穷远处观测者的观点来看，反粒子的所有运动过程可以视为一个正粒子的为之相反的运动过程，如一个反粒子被吸入黑洞，可视为一个正粒子从黑洞逃逸。这样，无穷远处的观测者可以说，他看见一个携带着从黑洞里来的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的总能量少了，而爱因斯坦的质能公式表明，能量的损失会导致质量的损失，因此黑洞的质量就减少了。这里描述的现象被称为霍金辐射，它是一种普遍的黑洞现象，不仅存在于施瓦兹时空，也存在于克尔时空，甚至于克尔、纽曼（Newman）的时空。
记者：提起“黑洞”，很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，而有关“黑洞”早在十八世纪就被提了出来，请给我们介绍一下究竟应该怎么理解黑洞？
蔡庆宇：黑洞这个概念被大众所熟识，应该跟霍金的《时间简史》有很大的关系。而这个概念的确是十八世纪末的时候就已经有萌芽了。当时光以有限速度传播已经为科学家们所熟知，根据这个，米歇尔（J.Michell）和拉普拉斯（P.Laplace）分别独立的提出了黑洞的想法，当时叫做暗星，英文名是darkstar。这个意思就说，一定存在这样的星体，它的万有引力强大到了可以把自身发射的光子拉回来，这样，这颗星就成了外部观测者看不见的暗星。他们还使用经典力学的方法计算出来了此类星体的半径，令人们惊奇的是，这个值竟然和100多年后施瓦兹（K.Schwarzschild）由广义相对论计算得出的施瓦兹黑洞的半径值完全一致。另外要补充的是，这样的理论是建立在光的微粒说的基础上的，后来杨氏双缝干涉实验促使光的波动说占了上风，有关暗星的理论就逐渐被大家遗忘了。
当广义相对论发表后，万有引力被指出是时空弯曲的表现。很快，施瓦兹就得到广义相对论场方程的第一个解，即静态球对称的解。这个解有一个中心奇点，还有一个奇面。中心奇点是本性，也就是说目前理论上是不可能消除这样的奇点，在这个点处，时空曲率发散，一切物理定律都有可能失效。奇面并不是本性的，可以通过坐标系变换消掉。但是很快就有科学家发现，比如说大家都熟悉的美国原子弹之父奥本海默（J.R.Oppenheimer），发现这个意义看似不大的奇面，恰好就是暗星的表面。不过他们的工作在当时并没有引起物理学界的重视。这主要是因为大家觉得这样的暗星不可能存在自然界。后来稳态轴对称解的获得，以及更重要的中子星，类星体的发现，促使人们相信，暗星也有可能存在。在对暗星兴趣与日俱增的情况下，惠勒（J.A.Wheeler）建议将这种天体叫做黑洞。
记者：“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一，去年欧洲的大型强子对撞机LHC启动的时候，就有科学家担心产生黑洞，从而吞噬地球。据说，为此还对簿公堂。我想听听你们的看法。
蔡庆宇：去年启动的大型强子对撞实验，目的主要是希望通过这项宏伟的撞击实验，发现在理论模型中形成物质质量的“上帝粒子”—希格斯玻色子。因为这个粒子的存在与否，关系到现有的宇宙理论能否站得住脚。
因为LHC中粒子碰撞的能量很高，碰撞时产生的压力就很大，就会使得质子紧密结合，密度增大到一定时，就会产生黑洞。这个预测也是很有道理的。如果真的产生黑洞，按照经典的黑洞理论，它倒是真的有可能吞噬地球。不过，由于霍金辐射的存在，LHC产生的黑洞从形成到衰变经历的时间极为短暂，也就是说黑洞在形成后很快就蒸发了，所以不会对我们的存在构成任何危险。我们也认为不会威胁地球，倒是可以利用LHC验证霍金辐射理论。
另外还有一个有趣的事情，就是俄罗斯科学家曾提出制造黑洞炸弹，并且预言这种炸弹如果出现，将使如今人类谈虎色变的原子弹也相形见绌。