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科普丨《黑洞战争》：宇宙只是一张全息投影图？黑洞藏着怎样的秘密？

精华笔记 本书作者伦纳德·萨斯坎德，美国理论物理学家，斯坦福大学教授，弦理论的创始人之一。 一、黑洞战争的源起： 1981年，霍金提出论断：信息掉入黑洞会被摧毁。这个论断违反了量子力学的基本定律信息守恒定律，黑洞战争因此打响。 1. 信息为什么不能丢失？ 信息守恒定律指出，信息不会凭空产生，也不会凭空消失，但是信息的状态会发生改变。信息守恒定律是量子力学的基石，因为量子力学是建立在概率的基础上。单个粒子状态的总概率和必须等于1，也就是100%。信息守恒定律就规定了所有信息不多不少，可以组合、可以拆分、可以改变形态，但是加在一起永远能100%还原成最初的事物。 2. 霍金怎样让信息在黑洞中被丢失？ 霍金证明出黑洞具有温度，同时计算出黑洞会向外辐射粒子，即霍金辐射。当空间中出现能量起伏时，会凭空产生一对虚粒子和虚反粒子，两个粒子会在极短的时间内相遇碰撞并且湮灭。而在黑洞附近，虚反粒子会掉入黑洞，它携带的负能量会抵消黑洞的能量，使黑洞变轻，而虚粒子会逃出黑洞，变成实粒子留在宇宙中。整个过程的实际效果就相当于黑洞向外释放粒子，同时损耗自己的质量。这种向外辐射的粒子流，就是霍金辐射。 如果黑洞一直进行霍金辐射，那么有一天黑洞将蒸发殆尽，完全消失。而曾经被黑洞吞掉的物质信息也将跟着丢失，这就违反了信息守恒定律。 二、黑洞战争的大讨论： 由于宇宙中实际的黑洞温度都低于宇宙温度，它们都在吸收能量而不是蒸发能量，因此人们无法观测到霍金辐射，只能依靠理论思考。科学家形成了四种观点。 观点一：信息确实丢失了。持此观点的主要是广义相对论学家，赞同霍金的看法，因为信息守恒定律是量子力学的基本定律，对广义相对论却没什么直接影响。 观点二：信息隐藏在黑洞蒸发的残余物里。认为当黑洞质量减小到只有一粒灰尘那么重的时候，会停止蒸发。所有的信息都将密封在留下的残余物质里。但这意味着一个微小的粒子中能隐藏任意多的信息，这是不被物理规律所允许的。 观点三：信息落入婴儿宇宙。认为黑洞深处将形成一个新的宇宙，信息都进入了这个微小的宇宙里。但这样信息就脱离了我们的时空，这跟信息消失也没什么两样。 观点四：信息跟视界有关。黑洞的边界，叫做视界，一旦越过视界，任何东西就都一去不复返了。萨斯坎德认为，黑洞是一个质量和体积有限的天体，这说明它对信息有一个负载量上限。当黑洞满载的时候，信息应该会漏出来，可是视界是个一去不复返的临界点，它又不允许有东西漏出来。萨斯坎德认为，解决问题的关键一定在视界上。 三、黑洞战争的结局： 1. 信息等于面积： 当黑洞吸收其他物质时，黑洞会变大，不仅它的质量会变大，它的表面积，也就是视界面积也会增大。计算发现，不管黑洞原来的尺寸大小是多少，每当加入1比特信息时，任何黑洞的视界面积都恰好会增大1个普朗克面积。也就是说，隐藏在黑洞中信息的总和等于黑洞视界的面积总和。或者更简洁地说：信息等于面积。尽管信息是一种物理实体，存在于空间之中，但是计算结果却表明，可以存放在一定空间区域中的最大信息量，等于区域的表面积，而不是区域的体积。 2. 全息图： 二维平面上确实可以储存三维场景中的全部信息，这就是全息图。当激光照射全息胶片时，光线发生散射和重组，在空间中重构出一个自由漂浮的真实的三维图像。我们眼中的三维世界有可能只是一副全息图，世界万物都是储存在宇宙边缘的信息投射到我们世界的假象。依靠全息原理，萨斯坎德认为，掉进黑洞的信息并不会消失，它们全部储存在了黑洞表面的视界上，黑洞辐射出的粒子将获取这些储存在黑洞表面的信息，信息被编码在粒子上，粒子携带着信息飞离黑洞，信息会重新回到宇宙空间。这就拯救了信息守恒定律，也保住了量子力学的根基。