一个虫洞的蜘蛛网可以解决由斯蒂芬·霍金首先提出的一个基本悖论

By Paul Sutter 

2022/3/22

黑洞信息悖论是似乎不可寻踪的。

 如果信息不能被消灭，当一个已经吞噬了一个充满信息的极端大肚子的黑洞消失时会发生什么？ (Image credit: Alberto Gagliardi/Getty Images)

由物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）最初提出的一个看似不可寻踪的黑洞悖论最终可以通过空时的虫洞解决。

"黑洞信息悖论"指信息不能被在宇宙中消灭的事实，然而当一个黑洞最终蒸发时，凡是被这个宇宙真空吸尘器吞噬的信息都应该早就消失了。这项新研究提出这个悖论可以被自然的最终作弊代码解决：虫洞或穿越空时的通道。

日本理研跨学科理论与数学科学项目的理论物理学家金户五郎（Kanato Goto）在一份声明中说，"一个虫洞将黑洞的内部和外面的辐射连接起来，就像一座桥一样"。

在五郎的理论下，一个第二个表面出现在一个黑洞的事件地平线内，超过这个边界没有任何东西能逃脱。来自一个虫洞的线将该表面连接到外部世界，将黑洞内部和在它边缘的辐射泄漏之间的信息纠缠在一起。

黑洞信息悖论

在1970年代，霍金发现了黑洞并不完全是黑色的，但起初，他没有意识到他已经创造的巨大问题。在他发现之前，物理学家已经假设黑洞是极端的简单。当然，各种复杂的东西落入它们，但黑洞将所有这些信息都锁掉，再也看不到了。

但霍金发现了黑洞释放辐射，能最终完全的蒸发，在一个现在被称为霍金辐射的过程中，但辐射本身并不携带任何信息。真的，按照定义一个黑洞的事件地平线不能阻止信息离开。因此，当一个黑洞最终蒸发并从宇宙中消失时，它所有锁起来的信息都去了哪里呢？

这是黑洞信息悖论。一种可能性是信息能被销毁，这似乎违反我们知道物理学的一切。（例如，如果信息能被丧失，那么你不能从当前事件重建过去或预测未来事件）。相反，大多数物理学家试图通过找到某种方法------任何方式------让黑洞内部的信息通过霍金辐射泄漏出来来解决这个悖论。这样，当黑洞消失时，信息仍然存在于宇宙中。

无论哪种方式，描述这个过程都需要新的物理学。

五郎说，"这提出广义相对论和量子力学目前的情况是彼此不一致的，我们必须为量子引力发现一个统一的框架"。

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两个熵的故事

1992年，物理学家、霍金的前研究生唐·佩奇（Don Page）以另一种方式观望了信息悖论问题。他从观察量子纠缠开始，这是当遥远的粒子让它们的命运已经联系起来时。这种纠缠起一个霍金辐射和黑洞本身之间的量子力学连接的作用。佩奇通过计算"纠缠熵"来测量纠缠的量，"纠缠熵"是被纠缠霍金辐射中包含的信息量的量度。

在霍金最初的计算中，没有信息逃逸，纠缠熵总是增加，直到黑洞最终消失。但佩奇发现了如果黑洞确实真的释放信息，纠缠熵最初的增长;然后中途通过黑洞的寿命，当黑洞蒸发时在最终到达零之前它减少（这意味着黑洞内的所有信息最终都逃脱了）

如果佩奇的计算是正确的，这提出如果黑洞确实允许信息来逃逸，那么某些特殊的事情约在它们生命的中途点必须发生。虽然佩奇的工作没有解决信息悖论，但它确实给了物理学家一些来工作的多汁的东西。如果他们能给黑洞一个中年危机，那么这个解决方案可能刚好解决这个悖论。

穿过虫洞

黑洞天鹅座X-1正在从一颗巨大的蓝色伴星拉物质。一旦这些"东西"到达事件地平线，就没有逃脱，对吧？ (Image credit: NASA/CXC)

更最近，几个理论家团队一直在应用从弦理论中借来的数学技术------一种将爱因斯坦的相对论与量子力学统一的方法------来检查这个问题。他们正在检查事件地平线附近的空时可能比科学家最初想的更复杂。有多复杂？尽可能的复杂，允许在微观尺度上曲折和弯曲。

他们的工作导致了两个令人惊讶的特征。一个是刚好在事件地平线下方一个"量子极值表面"的出现。这个内表面调节离开黑洞的信息量。最初，它并没有做太多事情。但是当黑洞的生命进行到一半时，它开始主导纠缠，减少释放的信息量，以便纠缠熵遵循佩奇的预测。

其次，计算揭示了虫洞的存在------很多的它们。这些虫洞似乎将量子极值表面连接到黑洞的外部，允许信息绕过事件地平线并作为霍金辐射被释放。

 但之前的工作只适用于高度简化的"玩具"模型（例如黑洞的一维版本）。通过五郎的工作，同样的结果现在已经被应用于更现实的场景------这是一个把这项工作带到更接近于解释现实的重大进步。

不过，还有很多问题。首先，目前还不清楚数学中出现的虫洞是否与我们认为为时间和空间捷径的虫洞是同一的。

它们被如此深埋在数学中以至于很难确定它们的物理意义。一方面，这可能意味着字面上的虫洞线入线出一个蒸发的黑洞。或者它可能只是一个一个黑洞附近的空时是非局部的迹象，这是纠缠的标志------两个纠缠的粒子为了影响彼此不需要因果接触。

另一个主要问题是，虽然物理学家已经识别了一种来缓解这个悖论的可能机制，但他们不知道它实际上怎样运作的。没有已知的实际上执行获取黑洞内部信息并将它编码在霍金辐射中的过程。换句话说，物理学家已经建立了一条可能的来解决信息悖论的道路，但他们还没有找到任何方法来建造沿着这条路行驶的卡车。

五郎说，"我们仍然不知道被辐射带走的信息如何的基本机制，我们需要一个量子引力理论"。

最初发表于生活科学Live Science。

https://www.livescience.com/black-hole-paradox-solution