[科普中國(guó)]-信息守恒定律

2004年7月21日，在愛(ài)爾蘭都柏林舉行的“第17屆國(guó)際廣義相對(duì)論和萬(wàn)有引力大會(huì)”上，英國(guó)傳奇科學(xué)家斯蒂芬·霍金教授宣布了他對(duì)宇宙黑洞的最新研究結(jié)果，霍金的態(tài)度來(lái)了個(gè)180度轉(zhuǎn)彎，表示自己原來(lái)的觀點(diǎn)錯(cuò)了，信息應(yīng)該守恒：黑洞并非如他和其他大多數(shù)物理學(xué)家以前認(rèn)為的那樣，對(duì)其周遭的一切“完全吞食”，事實(shí)上被吸入黑洞深處的物質(zhì)的某些信息實(shí)際上可能會(huì)在某個(gè)時(shí)候釋放出來(lái)：信息守恒。

黑洞新論黑洞內(nèi)涵原因是先前把黑洞想得太理想化了，把黑洞熱輻射也想得太理想化了。不過(guò)，霍金一直沒(méi)有給出嚴(yán)格的證明來(lái)支持自己的新觀點(diǎn)。索恩表示此事不能由霍金一個(gè)人說(shuō)了算，他仍堅(jiān)持信息不守恒的看法。普瑞斯基則表示沒(méi)有聽(tīng)懂霍金的演講，不明白自己為什么贏了。目前，這一牽扯到量子論基礎(chǔ)的敏感問(wèn)題還遠(yuǎn)未解決。

黑洞不僅僅是一顆死亡了的星體，它具有豐富的內(nèi)涵。黑洞的霍金輻射理論表明，黑洞不僅具有一般的力學(xué)性質(zhì)，而且具有量子性質(zhì)和熱性質(zhì)。如果黑洞的輻射譜為嚴(yán)格的黑體譜，則黑洞輻射過(guò)程中信息丟失。Parikh和Wilczek認(rèn)為，黑洞的霍金輻射的確可以看成是一種量子效應(yīng)，但輻射粒子貫穿的勢(shì)壘不是預(yù)先存在的，而是由出射粒子自身產(chǎn)生的。他們的研究結(jié)果支持信息守恒。

黑洞理論研究黑洞理論的研究已經(jīng)超出了黑洞本身，它不僅通過(guò)信息疑難觸及了量子論的重要基石——幺正性，而且掀開(kāi)了探討時(shí)間性質(zhì)的新篇章。

黑洞內(nèi)部有一個(gè)奇點(diǎn)，那是時(shí)間終結(jié)的地方。大爆炸宇宙有一個(gè)初始奇點(diǎn)，那是時(shí)間開(kāi)始的地方。彭若斯和霍金曾經(jīng)證明過(guò)一個(gè)“奇性定理”，該定理表明，任何一個(gè)真實(shí)的時(shí)空都一定存在奇點(diǎn)，即一定存在時(shí)間有開(kāi)始或終結(jié)的過(guò)程。時(shí)間有沒(méi)有開(kāi)始和結(jié)束，原本是哲學(xué)家和神學(xué)家議論的話題，現(xiàn)在經(jīng)過(guò)對(duì)黑洞和宇宙的研究，這一話題被納入了物理學(xué)的領(lǐng)域。

宇宙學(xué)家相信，太空中有許多類(lèi)型的黑洞，從質(zhì)量相當(dāng)于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超級(jí)黑洞，不一而足?？茖W(xué)家過(guò)去認(rèn)為，從巨大的星體到星際塵埃等，一旦掉進(jìn)去，就再不能逃出，就連光也不能“幸免于難”。而霍金教授關(guān)于黑洞的最新研究有可能打破這一結(jié)論。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，他發(fā)現(xiàn)，一些被黑洞吞沒(méi)的物質(zhì)隨著時(shí)間的推移，慢慢地從黑洞中“流淌”出來(lái)。

霍金關(guān)于黑洞的這一新理論解決了關(guān)于黑洞信息的一個(gè)似是而非的觀點(diǎn)，他的劍橋大學(xué)的同行都為此興奮不已。過(guò)去，黑洞一直被認(rèn)為是一種純粹的破壞力量，而現(xiàn)在的最新研究表明，黑洞在星系形成過(guò)程中可能扮演了重要角色。

2013年5月14日，美國(guó)引力基金會(huì)宣布，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所張保成副研究員、蔡慶宇研究員、詹明生研究員和清華大學(xué)尤力教授合作完成的題為“信息守恒是基本定律：揭示霍金輻射中丟失的信息”的論文榮獲本年度引力論文比賽第一名。

本篇獲獎(jiǎng)文章首先從量子信息的角度闡述了信息守恒是自然界的必然要求。隨后，結(jié)合作者之前的工作，即在隧穿輻射的物理圖像下，證明了黑洞輻射之間存在攜帶信息的關(guān)聯(lián)以及整個(gè)輻射過(guò)程中熵守恒，文章指出信息守恒仍然是自然界的基本定律，即使黑洞這樣的強(qiáng)引力體系也莫能例外。在文中，結(jié)合他們最近的理論研究結(jié)果，作者還分析了如何進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)黑洞信息丟失問(wèn)題，并且指出一旦LHC實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到高能粒子碰撞產(chǎn)生的小黑洞，并且輻射粒子能量的協(xié)方差和理論計(jì)算結(jié)果一致，則可以在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步確認(rèn)黑洞信息守恒。在理論上證明黑洞信息守恒，這不僅進(jìn)一步展示了量子力學(xué)的普適性，而且對(duì)構(gòu)建量子力學(xué)與引力的統(tǒng)一理論具有重要的啟示作用。1

黑洞悖論霍金輻射1976年，霍金稱(chēng)自己通過(guò)計(jì)算得出結(jié)論，他認(rèn)為黑洞在形成過(guò)程中，其質(zhì)量減少的同時(shí)還不斷在以能量的形式向外界發(fā)出輻射。這就是著名的“霍金輻射”理論。但是，理論中提到的黑洞輻射中并不包括黑洞內(nèi)部物質(zhì)的任何信息，一旦這個(gè)黑洞濃縮并蒸發(fā)消失后，其中的所有信息就都隨之消失了。這便是所謂的“黑洞悖論”。

這種說(shuō)法與量子力學(xué)的相關(guān)理論出現(xiàn)相互矛盾之處。因?yàn)楝F(xiàn)代量子物理學(xué)認(rèn)定這種物質(zhì)信息是永遠(yuǎn)不會(huì)完全消失的。近30年來(lái)，霍金試圖以各種推測(cè)來(lái)解釋這一自相矛盾的觀點(diǎn)。霍金曾表示，黑洞中量子運(yùn)動(dòng)是一種特殊情況，由于黑洞中的引力非常強(qiáng)烈，量子力學(xué)在此時(shí)已經(jīng)不再適用了。但是霍金的這種說(shuō)法并沒(méi)有得到科學(xué)界眾多持懷疑態(tài)度學(xué)者的信服。

如今，霍金終于給了這個(gè)當(dāng)年自相矛盾觀點(diǎn)一個(gè)更具有說(shuō)服力的答案。霍金稱(chēng)，黑洞從來(lái)都不會(huì)完全關(guān)閉自身，他們?cè)谝欢温L(zhǎng)的時(shí)間里逐步向外界輻射出越來(lái)越多的熱量，隨后黑洞將最終開(kāi)放自己并釋放出其中包含的物質(zhì)信息。

新成果盡管這一重大研究成果還沒(méi)有公開(kāi)以論文的形式發(fā)表，已經(jīng)在學(xué)術(shù)界引起了軒然大波。霍金在劍橋大學(xué)的同事、著名的物理理論學(xué)家馬爾科姆·佩里博士表示，“霍金在這次研討會(huì)上提出的觀點(diǎn)也許是一種可行的解決方案。但是具體是否能得到最終認(rèn)可，我看還需要由大家說(shuō)了算?！钡J(rèn)為，霍金最新的研究成果將可以和30年前發(fā)表的“霍金輻射”相媲美。

另一位物理學(xué)家科特·卡特勒在接受《新科學(xué)家》雜志的訪問(wèn)時(shí)說(shuō)：“霍金發(fā)出了一個(gè)信息，他似乎在說(shuō)‘我已經(jīng)解決了黑洞理論中的矛盾之處，我想就此發(fā)表一些新的看法’。但是我們作為該信息的接受者，預(yù)先卻并沒(méi)有看到任何有關(guān)的書(shū)面闡述。作為對(duì)霍金本人的尊重，根據(jù)他的名譽(yù)，我只能暫且先接受這種說(shuō)法?！笨茖W(xué)家們都期待著明天的學(xué)術(shù)會(huì)議上，霍金教授對(duì)他全新成果的完整闡釋。

有待證實(shí)對(duì)于霍金教授拋出的黑洞新論，本報(bào)記者采訪了我國(guó)黑洞研究專(zhuān)家，北京師范大學(xué)的趙崢教授。趙教授說(shuō)，目前霍金關(guān)于黑洞的最新研究成果只有媒體消息，學(xué)術(shù)論文還沒(méi)有發(fā)表，所以這一新的理論還有待證實(shí)。專(zhuān)家指出，上世紀(jì)70年代，霍金提出的“黑洞熱輻射”理論是20世紀(jì)最杰出的理論物理成就之一，但當(dāng)時(shí)這一理論的一些觀點(diǎn)受到了量子物理學(xué)者的質(zhì)疑?？茖W(xué)家們認(rèn)為被黑洞“吞掉”的物質(zhì)的信息最終將會(huì)隨黑洞一起消失，在量子物理的角度上是無(wú)法解釋的。為此，30年來(lái)學(xué)術(shù)界一直存在著爭(zhēng)論，此次霍金提出的新觀點(diǎn)───黑洞在某一時(shí)間，將會(huì)把它吞掉的信息釋放出來(lái)，從表面上看彌補(bǔ)了他以前理論的缺陷，但是這也不足以肯定這一理論就是正確的。趙教授解釋?zhuān)镔|(zhì)所包含的信息并不像質(zhì)量或能量一樣具有守恒的性質(zhì)，因此霍金此前的信息消失理論并不是完全無(wú)法接受的。

從20世紀(jì)60年代到80年代，黑洞研究取得了重大進(jìn)展。最初人們認(rèn)為黑洞是一顆死亡了的星體，什么東西都可以掉進(jìn)去，但任何東西都跑不出來(lái)。1974年霍金證明黑洞有溫度、有輻射?；艚疠椛涞陌l(fā)現(xiàn)使黑洞和霍金本人都變得家喻戶(hù)曉。

20世紀(jì)80年代以后，黑洞研究的重點(diǎn)逐漸從溫度轉(zhuǎn)向信息佯謬。人們?cè)缫阎溃诙赐獠坑^測(cè)者會(huì)失去形成黑洞以及后來(lái)落入黑洞的物質(zhì)的幾乎全部信息，這就是“無(wú)毛定理”。所謂“毛”是指“信息”。黑洞只剩下總質(zhì)量、總電荷和總角動(dòng)量3根“毛”可以被外界探知。人們最初認(rèn)為，雖然外部觀測(cè)者不能探知黑洞內(nèi)部物質(zhì)的信息，但這些信息并沒(méi)有從宇宙中消失，只不過(guò)隱藏在了黑洞的內(nèi)部?；艚疠椛浒l(fā)現(xiàn)之后，人們知道黑洞中的物質(zhì)最后將全部轉(zhuǎn)化為熱輻射，而熱輻射幾乎不帶出任何信息。這樣，形成和落入黑洞的物質(zhì)的信息將從宇宙中消失，信息不再守恒，不僅重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒等定律不再成立，量子論的幺正性也將受到破壞。面對(duì)如此嚴(yán)重的理論困難，物理學(xué)家展開(kāi)了激烈的爭(zhēng)論。理論物理學(xué)家大都相信信息守恒，堅(jiān)信幺正性這一量子論的基石不會(huì)被破壞。總之，信息應(yīng)該守恒。以霍金和索恩為代表的相對(duì)論專(zhuān)家則認(rèn)為信息不一定守恒，幺正性完全有可能被破壞。為此，霍金和索恩與堅(jiān)信信息守恒的普瑞斯基打賭。

這種理論從誕生之初就遇到了麻煩：它同很多科學(xué)家堅(jiān)持的“信息守恒定律”互為矛盾。這一度被人們稱(chēng)為“黑洞悖論”。

如同19世紀(jì)的科學(xué)家斷定了能量守恒定律一樣，20世紀(jì)的許多科學(xué)家提出了信息守恒一說(shuō)——假如這個(gè)說(shuō)法成立，那么“信息守恒定律”無(wú)疑將成為科學(xué)界最為重要的定律，也許比物質(zhì)—能量守恒定律的意義更為深遠(yuǎn)。霍金的黑洞理論引起的激烈爭(zhēng)執(zhí)就是“信息”在黑洞中是否能夠保存，守恒?！?/p>

信息論定律內(nèi)容DENG'S信息守恒基本方程序 （鄧宇等，2005年，《中華新醫(yī)學(xué)》雜志發(fā)表）

定義1總的流進(jìn)系統(tǒng)的信息必等于總的從系統(tǒng)中流出的信息，加上系統(tǒng)內(nèi)部信息的變化；信息能夠轉(zhuǎn)換，從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種狀態(tài)；信息可以創(chuàng)造，可以失存。用公式表示為

具體公式信息守恒定律（Law of Conservation of Information）或總狀態(tài)守恒，公式：

or

，

引申出“熵守恒”：廣義信息守恒等。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王強(qiáng) - 副教授 - 西南大學(xué)