2014年1月25日 星期六

黑洞變灰洞 [1]

台語有個成語「雞嘴變鴨嘴」,意思是原來鐵口直斷的,現在變成不那麼肯定、嘴軟了。標題有那麼一點類似的意思。

最近霍金 (Steven Hawking) arxive 上發表了一篇文章《Information Preservation and Weather Forecast for Black Hole[2] (黑洞的訊息保存與天氣預測,???)。這篇文章只得兩頁,沒有一個數學式子;如同他一貫只在腦中的白板計算,講出來的已是結論。就這樣的三兩頁,在物理界卻又要掀起波瀾。唉!天下又要亂了。

這篇文章主要想解決一個長存的問題,黑洞訊息佯謬 (black hole information paradox) [3,4]黑洞有幾個著名的性質,一是無髮定理 (no-hair theorem) [5],是說在黑洞之外只能觀察到其質量、電荷以及角動量,其它的訊息都被屏蔽了。這個定理與另一個性質事件視界 (event horizon) [6] 有關。事件視界是黑洞的一個邊界,物質 (包括光) 進入此事件視界之內後,便無法逃逸,永遠的與外界隔絕。後來霍金結合了量子力學及重力場論,發現了著名的黑洞幅射 [7]。在黑洞的邊緣因為量子漲落 (quantum fluctuation) [8],能量可以因之產生一對粒子;一個被黑洞吸入,一個向外逃逸。是以黑洞雖然在剛開始時不斷的搜括質能,壯大自己,但是最終將因此黑洞幅射,逐漸喪失質、能量,以蒸發殆盡做為結局。這是黑洞的生命史。

但無髮定理出籠之後,物理界便埋下了日後的不安。這便是黑洞訊息佯謬。這問題的根源還是重力場論與量子力學的不諧。重力場論與量子力學的不諧一直困擾著物理學家。量子力學成功的與電動力學的方式結合產生量子電動力學 (Quantum Electromagnetic Dynamic; QED),而此理論預測與實驗數據的吻合到 1314 位數 [9],是科學史上最令人津津樂道的成功案例。但以相同的方法結合重力場論與量子力學,便產生了預測中有無法處理的無窮大數。以術語來說,這理論是不可重整化的 (unrenormalizable)。簡單的說,由於理論基本的缺陷,它無法給出有用的預測。80年代以降風起雲湧的弦論 (string theory) 等,都是要整合重力場論與量子力學的企圖。不過,弦論迄今沒法子對真實的世界給出任何預測。革命尚未成功,同志仍需努力。

黑洞訊息佯謬也是重力場論與量子力學的不諧的結果。重力場論似乎給出事件視界的存在,阻絕訊息。而重力場論與量子力學聯合的推論所得的黑洞幅射讓黑洞最終蒸發殆盡。一個基本的問題是:訊息那裏去了?

量子力學的一個基本假設是在某一特定時刻關於一系統的完整訊息是儲存於波函數之中。而波函數其後隨時間的演化 (time evolution) 應該讓訊息守恆的。但黑洞在原始組成之前是由許多不同的物質狀態的波函數組成。變成黑洞後,由於事件視界的隔絕,訊息被阻斷;而又因為黑洞幅射,黑洞蒸發殆盡。也就是說,原來存有許多組不同波函數狀態的訊息,最後都變成了空無一物的單一狀態,系統的原始訊息到那兒去了?

有許多試圖解決這黑洞訊息佯謬 [4] 的想法,但這些想法也都可能違背一些基本的物理原則。霍金在這篇文章中的講法是原先他提的事件視界可能不存在,訊息會慢慢的從黑洞滲漏出去。所以總的來說訊息是守恆的。但這些訊息變的混沌 (chaotic),所以我們無法從中取得有用的訊息。就像地球上的氣候,即使有始初條件 (initial condition) 的訊息,很快的系統本身由於其系統特性,氣候變的不可預測。這是為什麼「氣候預測」會上文章標題的原因。

此文一出,勢將引起大波瀾。理論方面,自然會有人有不同的主張。如果沒有事件視界,釋出的除了黑洞幅射之外還有什麼?而在實驗方面,由於事件視界不存在,無髮定理中的三個物理量外,黑洞也許還有其它物理現象可以觀察。我們所在的銀河系中心就有一個大黑洞,也許可以用來驗證這個說法。

黑洞變得不那麼黑,叫灰洞 (grey hole) 了。

[11]:http://en.wikipedia.org/wiki/String_theory

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