s特林理论学家维贾伊·巴拉苏布拉曼尼亚(Vijay Balasubramanian)正在努力对付宇宙的垃圾桶:黑洞。他在宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)和纽约城市大学研究生中心(City University of New York Graduate Center)进行的粒子物理学研究，质疑了黑洞存在时信息的明显缺失。这只是他从时空结构到人的认知“地方感”的广泛追求的一个方面。在以下经过编辑的采访中，Balasubramanian说鹦鹉螺为什么黑洞可能不是他们想象中的无限信息汇。
什么是黑洞？
如果有足够多的物质集中在空间的一个小区域，物质就会扭曲空间和时间，使任何东西都无法逃脱。这种可能性最早是由卡尔·史瓦西在1915年解决爱因斯坦的广义相对论方程时发现的。在黑洞内部，无论你尝试哪个方向加速，所有的未来都指向黑洞的奇点，一个无限弯曲且体积消失的空间区域。
那么，黑洞就是最终的垃圾桶了吗？
在经典引力理论的层面上，是的。在爱因斯坦描述这一理论的方程式中，你得到了一个奇怪的性质，一旦你进入，你就无法离开。然而，就在奇点处，重力将变得无限强大，经典重力理论崩溃了。
这就是量子理论变得重要的地方吗？
直到20世纪70年代，物理学家们一直认为量子力学效应只有在奇点附近才会变得重要。但大约在那时，理论物理学家雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）证明黑洞携带熵，与地平线的面积成比例。地平线是黑洞和宇宙其他部分之间的分界线。大约在同一时间，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）写了一篇论文，认为黑洞也会辐射，就好像它们是温暖的并且有温度一样。这种辐射现在被称为霍金辐射。
辐射是如何产生的？
在量子理论中，粒子和反粒子对——比如电子和它的伙伴，正电子——在空间的真空中时而出现时而消失。在视界附近，其中一个粒子会落入黑洞，另一个粒子会流进太空，看起来黑洞会向外辐射。因为它在辐射物质，黑洞向宇宙失去了能量，它的质量减少了。最终黑洞完全蒸发。大黑洞，比如我们银河系中心的黑洞，蒸发的时间比宇宙的年龄长得多;更小的花更短的时间。但不管怎样，你都得从垃圾桶里拿东西。
那么黑洞毕竟不是宇宙碎屑的储藏库吗？
事实上，他们仍然是。根据霍金设想的方式，辐射是完全随机的，黑洞发射的每个光子或光粒子都独立于其他粒子，因此辐射中没有关于黑洞的信息。无论你多么仔细地观察霍金辐射，你都无法说出是什么掉进了黑洞。信息丢失了。
这会造成问题吗？
霍金承认，信息丢失是黑洞存在的必然结果，但并没有多少人对这个解决方案感到满意，因为它意味着放弃量子力学的一个中心假设，即信息总是被保留的。为了放弃这个原理，我们必须对量子理论进行相当广泛的修改。量子理论，正如现在所表述的，非常有效。与爱因斯坦的引力理论一样，它也是20世纪物理学的两大发现之一。
那么，有解决方案吗?
可能地量子理论描述粒子的微观状态。广义相对论是对空间和时间的宏观描述。也许当广义相对论与量子理论融合时，时空的亚原子量子力学性质将解决这个难题。也许这些亚原子细节在爱因斯坦理论中对引力的粗略、宏观描述中丢失了。
量子理论和引力的结合有什么进展吗？
是的。事实上，遇到这样的悖论通常会在物理学中引出新的解决方案。
20世纪90年代，试图将量子理论与引力统一起来的弦论科学家们发现了一些惊人的东西。他们从数学上证明，一个包含一类特殊黑洞的三维宇宙，只受重力控制，相当于一个二维宇宙，其中重力不存在，但所有粒子和场都遵守量子力学定律。由于量子理论总是保存信息，信息在二维宇宙中永远不会丢失。由于这两个宇宙是等价的，所以有黑洞的三维宇宙也必须保存信息。但没有人确切知道这是如何发生的。
你认为解决办法是什么?
有可能霍金辐射确实编码了关于黑洞的信息。
在最近的一篇论文中，我和我的同事们考虑了黑洞内部不同的量子状态。我们认为，不同量子态之间的能量分离可能非常小，以至于分析霍金辐射和确定黑洞的内容需要非常大、几乎无限长的时间。
所以从这个意义上说，黑洞在很长一段时间内充当了一个垃圾桶的角色。对于一个和太阳一样重的黑洞来说，这个周期将比当前宇宙的年龄长得多。所以，实际上这是永远。但最终，在宇宙结束之前，黑洞会溢出它的物质，混乱和循环。
罗恩·考恩是马里兰州银泉市的自由撰稿人，专门研究天文学和物理学。
