斯蒂芬·霍金的黑洞信息悖论被解决了,这是真的吗|霍金辐射|黑洞|悖论
无论您在宇宙中做什么，它的整体熵总是会增加。即使当我们把事情整理好了——组装拼图、打扫房间，甚至煮沸的蛋清时—只有系统中那个孤立部分的局部熵降低了。为了完成这些壮举，我们必须花费的能量使总的熵增加的数量大于“排序”过程所减少的总熵，结果，熵总是增加。从另一个等效的角度来看，物理系统中的信息总量只能保持不变或增加，它永远不会下降。
图注：黑洞的事件视界是一个球形或球形区域，从该区域可以逃脱任何东西，甚至光。但是在事件范围之外，黑洞被预测会发射辐射。霍金1974年的论文首次证明了这一点，但该论文也导致了一个尚未解决的悖论。
但是对于黑洞，情况似乎并非如此。如果您将一本书扔进一个黑洞，那本书将包含各种信息：页面的顺序，页面上包含的文本，构成页面和封面的粒子的量子性质等。黑洞，增加了它的质量/能量。很久以后，当黑洞由于霍金辐射而衰减时，该能量又散发出来了，但预计信息是完全随机的：这本书的信息已被删除。尽管最近有人声称悖论已经结束，但它仍然悬而未决。
宇宙中存在的每个粒子都有一定数量的固有信息。这些属性中的一些是静态的：例如质量、电荷、磁矩等。但是其他属性则取决于它所属的系统及其相互作用的历史：诸如量子纠缠特性，自旋轨道角动量，以及是否与其他量子粒子结合。如果我们能够知道系统的确切微状态，即其中包含的每个粒子的量子状态，那么我们将知道该系统的一切知识。
当然，实际上，这在物理上是不可能的。我们拥有我们知道并可以测量的属性，例如气体的温度，然后是我们不知道的事物，例如气体中每个原子的位置和动量。与其将熵视为一种误导和不完整的无序量度，不如将熵视为确定系统特定微状态所需的“缺失信息”量，这更为准确。熵的定义是理解量子信息概念的关键。
图注：麦克斯韦妖（Maxwell's demon）的一种表示形式，它可以根据粒子在盒子两侧的能量对它们进行分类。通过打开和关闭两侧之间的分隔器，可以精确控制颗粒的流动，从而减小盒子内部系统的熵。但是，当还包括麦克斯韦妖（Maxwell's demon）的熵时，系统的总熵仍会增加。
在我们的宇宙中，据我们所知，熵永远不会降低。热力学第二定律要求：
采取您喜欢的任何物理系统，不允许任何东西进入或离开它（即，确保它已关闭），而且它的熵只能增加，或充其量只能保持不变。这样做的结果是，煮熟的鸡蛋不会回到煮熟前的状态，温水从不分解成冷热部分，并且骨灰不会重新组合成燃烧前的状态。
这就是为什么黑洞信息悖论是如此令人困惑的原因。如果您将充满信息的东西放到黑洞中，则黑洞将获得进入其中的所有质量、能量、电荷和角动量。但是信息怎么办？ 原则上，它可以被拉伸并在黑洞的表面上进行编码：我们可以定义黑洞的熵，以使其表面积为每个信息量驻留的位置。
但是，即使添加了这些内容，也没有已知的方式来维护该信息。最终，随着时间的流逝，黑洞将自发衰减：这是黑洞事件视界外时空弯曲的结果。该曲率由黑洞的质量决定，与质量较大的黑洞相比，质量较低的黑洞在事件视界范围内的弯曲空间更严重。正如史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在1974年著名地证明的那样，黑洞并不是完全黑的，因为它们毕竟会发出辐射。该辐射：
具有黑体光谱：将纯黑色的完美吸收体加热到一定的温度会具有与黑体相同的特性，该温度由黑洞的质量决定，辐射中包含能量，这会导致黑洞通过爱因斯坦的E = mc^2失去质量，直到黑洞完全蒸发为止。但是您可能会注意到某些遗漏：这种辐射不会返回您输入的信息。一路上的某个地方，信息被破坏了。这是黑洞信息悖论的关键难题。
没有人质疑这个难题的最初设置：信息存在，而信息（和熵）确实进入了黑洞以开始。最大的问题是该信息是否再次出现。
尽管霍金辐射已经存在了近半个世纪，但我们计算通过霍金辐射从黑洞中出来的结果的方式并没有一直改变这么多。我们要做的是假设广义相对论产生了空间曲率：物质和能量的存在使空间的结构弯曲，而广义相对论则精确地告诉我们空间曲率是多少。
然后，我们在该弯曲空间中执行量子场论计算，详细说明由此产生的辐射。在那里，我们了解到辐射具有温度、光谱、熵和我们知道的其他属性，其中包括这样的事实，即当辐射发出时，它似乎没有对初始信息进行编码。
随着时间的流逝，所讨论的黑洞会失去质量，导致其辐射速率（以及温度和辐射熵）增加，直到黑洞完全消失为止。那么，如果黑洞蒸发掉的辐射中没有以某种方式重新出现，那么所有这些初始信息都去了哪里？显然，这并不能解决所有问题。但是缺陷到底在哪里？通常，我们通常考虑三种可能性：
由于某些我们不了解的过程，虽然发生了信息丢失，但这不是问题。即使黑洞如我们所想的那样散发出去，信息也不会丢失，并且我们基于所做的假设得出了错误的结论。或者，很可能我们所做的假设有误。尽管提出的解决方案甚至不一定局限于这三种可能性，但是从事该领域工作的大多数物理学家，通常都希望第三种可能性正在发生一些有趣的事情。有充分的理由认为它们可能是正确的。
即使我们将黑洞视为理想化的系统，而不是物理上现实的系统，黑洞之外的空间也非常复杂。尽管我们大多数人对空间的看法与牛顿的想法相似——作为一个虚构的三维网格，也许在其上再加上一层爱因斯坦曲率——但将黑洞周围的空间想像成移动的更为准确人行道或河流：自行移动的东西。您可以与水流相对，垂直或垂直行走或游泳，但重要的事实是，空间本身就可以充当非静态的运动实体。
除此之外，我们假设广义相对论仍然可以精确地描述量子级的空间动力学：我们假设产生霍金辐射的量子效应很重要，但是任何能产生霍金辐射的量子效应都非常重要。之所以会出现这种情况，是因为可以忽略将空间视为经典且连续的背景。从事此工作的研究人员称这种方法为“半经典近似”，并且怀疑该方法必须分解。
但是正确的方法是什么？我们如何成功地执行此计算，为离开的霍金辐射确定正确的量子特性，以及确定黑洞完全衰减掉之后传入信息在何处出现？
实际上，成功回答这些问题将为黑洞信息悖论提供解决方案。重要的是，每个人都应该意识到，尽管最近在Quanta上发表了一篇题为《物理学中最著名的悖论》的文章，但这些问题根本没有得到解答。
发生的事情很有趣：一系列新论文和计算结果表明，当黑洞寿命将尽时，它已经大大缩小了，您将无法再从外部“隔离”黑洞的内部。这些影响虽然在我们相对年轻的宇宙中可以忽略不计，但最终将控制着蒸发的黑洞的动力学以及因此逃逸出的辐射的动力学。
这篇文章本身在深入探讨许多细节方面做得很好，包括一个几乎不够被理解的事实：当辐射从黑洞中出来时，它应该保持一个量子力学纠缠到黑洞内部的联系。这本身就至关重要，因为它展示了一种自从霍金时代以来我们一直使用的半经典近似分解的肯定方法。
理论上的进步也令人着迷——但很难用简单的话——有助于将黑洞内部的熵映射到外来辐射，这暗示着这可能是了解信息如何被编码回去的有效途径。我们可以体验的宇宙。但是，此时，我们仅计算整体属性：例如将质量放在比例尺上并查看它们是否平衡。但是，这与了解信息的发布方式以及是否可以再次实际收集和测量信息相去甚远。
好消息是，我们在黑洞信息悖论的核心问题上取得了进展：我们可以肯定地说，（至少）我们对此问题提出的一种假设是错误的。当我们计算出辐射时，我们不能简单地看一个黑洞外面的空间。辐射与黑洞内部之间存在持续的相互作用。随着黑洞的蒸发，内部开始包含与辐射相关的信息，因此不再被忽略。
但是，要确定信息的确切位置以及如何从黑洞中走出来，我们还有很长的路要走。理论家对当前用于进行这些计算的许多方法的有效性和可靠性持不同意见，甚至没有人对蒸发黑洞如何编码此信息进行理论预测，更不用说如何测量了。随着科学的不断发展，黑洞信息悖论无疑将在未来几年内成为热门新闻，但对于信息流向何方这一个大问题，解决方案的诞生遥遥无期。