黑洞宇宙里混迹 迟早要还

beobei

　　如果写成科幻故事，大概是这样。
　　1997年的一天，霍金给一个黑洞写了一个封信，黑洞没理他。于是霍金认为黑洞把信息弄丢了（吃了）。结果到了2004年，霍金打开垃圾箱，发现黑洞给他回信息了！因此霍金愿赌服输，承认了黑洞不会吞噬信息。完。
　　这个科幻故事太简单，太直接，太诱人了，我真的希望做理论物理研究就是这样。这大概是绝大多数人能够从霍金赌输的新闻中获得的最有逻辑·X·的想法。但遗憾的是，霍金并没有办法从黑洞接收信息，而且“信息丢失”也不是故事所描述的意思。那么，这一切都是怎么回事？难道坐在轮椅上的霍金仅仅凭借思考，就知道黑洞对“信息”做了什么吗？
　　霍金辐射带来问题
　　说起黑洞，人们往往会倒吸一口冷气。黑洞太厉害了，无论什么东西掉进去都出不来。假如有个人站在黑洞里面（还活着的话），向黑洞“外面”照手电筒，那么手电筒发出的光全部会被黑洞强大的引力吸“回来”，不漏出一粒光子。所以，黑洞真的是一个绝对黑的无底洞。
　　从经典引力的角度讲，以上说法完全没有问题。但如果考虑到量子理论，黑洞就不像人们想象的那么冷血了。1974年霍金用复杂的计算证明，如同任何有温度的物体一样，黑洞也会“发光发热”，我们称之为霍金辐射。霍金辐射会带走黑洞的能量，这样黑洞的能量就有可能减少。如果宇宙大爆炸初期产生了高温的微型黑洞，那么它们可能很快就蒸发干净了。于是，人们明白了黑洞并非只进不出，还是会吐一些东西出来的。但是问题又出现在吐出来的东西中。

　　霍金辐射源自真空涨落产生的虚粒子对
　　我们知道，有序的物质中包含着信息。例如葡萄糖和蔗糖当中含有C、H、O三种化学元素。但葡萄糖和蔗糖分子当中的CHO数量和结构都不相同，因此，我们认为葡萄糖和蔗糖携带了不一样的化学信息；而单纯的把CHO三种元素随机混合在一起，并不携带这部分化学信息（可能携带其他信息）。在量子理论当中，携带“量子信息”的纯态比作“葡萄糖”，而丢失了部分“量子信息”的混态（会携带另一部分信息）比作随机混合。黑洞发出霍金辐射通常被看做是一个随机过程，那么霍金辐射就是一种混态。于是，问题自但是然的出现了。黑洞又不挑食，你往里扔纯态它就吞纯态，你往里扔混态它就吞混态。可是黑洞蒸发的时候，吐出来的只有混态，那么，吞进去的纯态所携带的那部分“量子信息”究竟跑到哪儿去了呢？
　　纠缠态是最着名的一种纯态。假设一对光子形成了纠缠态，即使令它们相隔很远，由于纠缠的存在，它们的物理状态会有所关联。如果一对纠缠光子中的一个不幸被吸进了黑洞。很久之后，由于黑洞辐射，光子又被黑洞吐出来。问此时这对光子的物理状态之间是否还有纠缠（关联）？如果我们认为此时的光子是随机辐射出的，与另一个光子没有纠缠，它们就是一个混态。但是，量子力学的基本原理（幺正·X·）不允许一个纯态演化为一个混态。
　　这就回到了文章开头霍金输掉的赌局，霍金一开始认为这些信息在黑洞中丢失了，数年之后，霍金又相信这些信息没有丢。黑洞不但能把吞进去的物质“吐出来”，应该还能把物质携带的信息也“吐出来”。那么，如此矛盾的说法，为什么能得到理论物理学家们认同呢？

　　黑洞可以貌相，引力不可斗量
　　我们要从黑洞的又一奇特·X·质说起。1972年，着名黑洞专家惠勒（J. Wheeler）的弟子，普林斯顿大学的博士生贝肯斯坦（J. Bekestein）提出，黑洞的热力学熵和它的面积成正比。这一结论遭到了霍金的反对（当时未提出霍金辐射）。我们知道平衡态的热力学体系应该满足热力学第一定律：

　　dU=TdS+...
　　其中dU是能量的变化，dS是熵的变化，T是体系的温度。黑洞肯定是有能量的，假设黑洞有热力学熵的话，那么根据热力学第一定律，它必然有温度。有温度的物体必然产生辐射。因此，有热力学熵的黑洞必然产生辐射。这个结论在当时太过超前了，连霍金本人都不能轻易接受。（也许是抱着证伪贝肯斯坦结论的态度，未经证实）1974年，霍金发现从量子场论的角度讲，黑洞视界附近的弯曲时空中真的有辐射产生，反过来支持了贝肯斯坦的理论。
　　那么熵又是什么呢？通俗的讲，熵体现了一个物理体系的混乱程度。如果你不小心把一盒火柴打翻在地，或不小心把一麻袋火柴打翻在地，试问哪种情况更混乱？当然是一麻袋的火柴扔地上更乱。因此，我们说后一种情况的“熵”更大。火柴越多，“熵”越大，从中我们可以看出，“熵”的大小同时还体现了物理体系的自由度多少（这个比方里是火柴的多少）。1立方米火柴的数量大约是1升火柴的1000倍，那么1立方米火柴扔地上的“熵”大约是1升的1000倍。可见，“熵”和自由度跟物理体系的体积成正比。

　　你看黑洞的熵还是蛮大的
　　再回头说贝肯斯坦的理论。黑洞的热力学熵体现了黑洞的自由度，黑洞不是火柴，这些自由度从哪儿来？黑洞的热力学熵和自由度跟视界面积成正比，而不是跟体积成正比，跟普通物质的热力学·X·质完全不一样，这又是为什么？在这几朵乌云的笼罩下，物理学大家庭迎来了一年又一年。
　　有一天，传言荷兰乌得勒支大学的高手特胡夫特（Gerarad't Hooft ）看不下去了，开始进军黑洞领域。特胡夫特在他的研究生时期就以解决了量子场论中规范理论的重整化问题而名扬天下，因此他和导师维尔特曼（M. Veltman）获得1999年诺贝尔物理学奖。当时，大家为他的未来捏了一把汗：“完了完了，特胡夫特要被黑洞吸进去了。”
　　1993年，特胡夫特不但没有被黑洞吸进去，还从黑洞中得到了大名鼎鼎的全息原理(最先提出的是人C. Thorn，在特胡夫特后给出弦论表述的是L. Susskind)：

　　“一个量子引力体系的自由度可以由其边界上的自由度所描述。”
　　这句话看起来极其平常，远不如E=mc^2之类的公式看着过瘾。但它能够被看成一个原理而非定理、定律，还有着更为深刻的原因。
　　黑洞心里想的啥，全写在了脸上
　　简单的说来，我们就像宇宙舞台剧中的观众。量子引力是舞台上的演员，为我们奉献比梦境更为神奇的演出。渐渐的，我们发现每个演员身上似乎都有看不见的细线连着房顶上的机关。演员们每做出一个动作，机关也相应的运动。
　　这时，保守的观众说：“我发现了演员的表演和机关的运动完全对应，这是两个等效的理论。”
　　“不！”激进的观众跳了起来：“这根本就是一出木偶剧，舞台上的表演完全由房顶的机关控制。这个房间里根本就没有真正的演员！”
　　保守的观众肯定是对的，但激进观众的说法也不是完全没有可能。量子引力有没有可能像舞台上的“演员”一样，原本是机关运动的结果，并不真实存在呢？顺着这样的思路往下想，便是2010年年初由荷兰阿姆斯特丹大学佛林德（E. Verlinde）提出的“熵力”
　　黑洞出来“混”，迟早要还的
　　除了“熵力”之外，全息原理和AdS/CFT对应还有许许多多的产品。物理学家研究物理问题的法宝是“微扰论”，假设整个体系可以大致的看做是自由的（无相互作用），然后将相互作用看做一种“扰动”。可是许多物理体系有着很强的相互作用，“微扰论”就不灵了。此时，人们意识到AdS/CFT是一种从强耦合到弱耦合的对应。(在规范群很大的极限下)当N+1维引力有着很强的相互作用时，它等价的N维非引力的理论中的相互作用就很弱；反之，当N维非引力的理论相互作用很强时，它等价的N+1维的引力理论又变成弱相互作用的了。
　　所以黑洞出来“混”，迟早要还的！

jjjhjk

要相信自己~智商为0

dmss7234

呵呵 放心 如我算错 你以后来砸我的帖子 呵呵