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关于这个定律,存在某种古怪之处,但准确地说,古怪在什么地方呢?如同其他决定性的定律一样,将来完全是可以预测的。然而当我们试图确定过去时,事情就弄糟了。假定我们发现硬币处于H状态,我们可以确定前一个状态是T。但我们来进行下一步。有两种状态可以导致T,即H和F,这引发了一个问题:我们从H还是F到达了T呢?我们无法得知,这就是所指的信息丢失,但这在经典物理学中永远不会发生。牛顿定律和麦克斯韦的所基于的数学规则是非常清楚的:每一个状态之后是一个唯一的状态,它前面也是一个唯一的状态。
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信息可以丢失的其他方式,是定律中存在一定的随机性。在这种情形下,显然不可能确定将来或过去。
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正如我早先解释的,量子力学有它的随机成分,但信息永不丢失有深层次的意义,在第4章中关于光子的讨论,已解释了这一点,不过我们再来做一次,这次用电子撞击一个静止的靶,例如一个重原子核。电子从左侧来,在水平方向上运动。
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它与原子核碰撞,然后朝某个不可预测的方向离开。一个好的量子理论家,可以计算出它朝某个特定方向离开的概率,但是他无法预测确定的方向。
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关于初始运动的信息是否被保留,我们有两种方法来检验。它们都涉及在反演定律下,使电子做倒过来的运动。
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在第一种情形下,在反演定律之前恰好有一个观测者来检查电子在哪里。他可以用许多方式来完成此事,大都用光子来作为探测器。在第二种情形下,观测者不去费事检查;他仅将定律反过来使用即可,而不用任何方式去干涉电子。这两个实验的结果完全不同。在第一种情形下,自电子反向运动之后,它的最终位置是随机的,朝一个不确定的方向运动。在第二种情形下,当没有任何检测时,电子最终总是沿着水平的反方向。实验开始后,当观测者第一次观看电子时,除反向外,发现它和原来的运动完全相同。似乎只有当我们积极地干涉电子时,信息才会丢失。在量子力学中,只要我们不干涉系统,它们所携带的信息是不可破坏的,正如在经典物理学中一样。
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霍金攻击
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1981年那天,在圣弗朗西斯科,要寻找两个比赫拉德·特霍夫特和我的表情更为愠怒的人,是十分困难的。在富兰克林街道沃纳·埃哈德顶楼中,我们内心最深处的信仰,遭到了直接的攻击,战争正式开始了。霍金是一个勇敢的人,一个富有冒险精神的人,是一个拥有所有重型武器的破坏者,天使与恶魔般的微笑表明他知道战争正式开始了。
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攻击绝不是针对个人的。闪电战的目的在于物理学的支柱:信息不灭。信息在被认出之前总是混乱的,但是霍金宣称落入黑洞之中的信息永久地消失在外部世界中。他在黑板上画了一个图来证明它。
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才华横溢的罗杰·彭罗斯在自学时空几何过程中,他创造了一种在一块黑板上或一张纸上,来形象化表示整个时空的方法。即使时空是无限的,彭罗斯也会通过一种巧妙的数学方法,将它扭曲、挤压到一个有限的区域。沃纳·埃哈德公寓的黑板上所画的彭罗斯图表明,信息比特掉入黑洞视界之中。视界用一条对角虚线来表示,一旦有一个比特信息越过此线,如果不超过光速它就无法逃逸。这个图表明任何这样的比特注定会撞到奇点。
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彭罗斯图对理论物理学家而言是不可缺少的工具,但需要经过一些训练才能理解它,下面是一个我们较为熟悉的图,它表示同一个黑洞。
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霍金的观点是非常简单的。落入黑洞的比特信息,就像第2章中提到的无意间经过一去不复返点的蝌蚪所隐喻的那样,一旦这个比特经过视界,它将永远不会返回外部世界。
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并不是信息可能丢失在视界之后,这个事实深深地打扰了特霍夫特和我。落入黑洞中的信息,莫过于将它紧紧地锁在一个密封的地下室中。然而某种更为危险的东西是这里的游戏,在地下室中隐藏信息的可能性几乎是警告的起因,但是如果门被关上了,那么地下室就在你眼睛前面蒸发光?这正是霍金预言黑洞所发生的情况。
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到1981年,我已经找到黑洞蒸发与1972年我与理查德·费曼在西区咖啡馆中的谈话之间的联系。黑洞最终会分解为基本粒子的观点,一点儿也不使我感到困扰。但是霍金宣称的观点让我感到怀疑:当黑洞蒸发时,被捕获的信息从我们的宇宙中消失了。信息并不是“持球跑进”[98],它被不可逆地、永久地封闭了。
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霍金在量子力学的坟墓上兴奋地舞动着,而特霍夫特和我则陷入了完全的混乱之中。对我们而言,这样的观点将物理学的所有定律都置身于危险之中。似乎广义相对论和量子力学规则的结合,会导致火车失事。
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我不知道特霍夫特在沃纳·埃哈德顶楼中见到霍金之前,是否曾经听说过霍金极端的观点,但我是第一次听说。即便如此,那时这个观点并不新奇。几年前,霍金曾在一篇发表的论文中阐述了他的论点,仔细地完成了他的作业。他已经考虑了,我可以想得到的摆脱他的“信息佯谬”所有方法,并阐述了他的对策。我们在这里讨论一下其中的4个。
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对策1:黑洞实际上并不蒸发
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对大多数物理学家而言,黑洞蒸发的结论会让他们大吃一惊。但是,关于黑洞蒸发的论证,虽然是专业的,却极为令人信服。通过研究视界邻近处的量子涨落,霍金和比尔·温鲁(Bill Unruh)证明了黑洞具有温度,并且与任何其他热的物体一样,必须进行热辐射(黑体辐射)。偶尔,某篇物理论文会宣称黑洞不蒸发,但这些论文迅速地消失在边缘观点的巨大的废品旧货栈之中。
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