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一个氢原子掉进了一个巨型黑洞。首先会想到一幅质朴的图像:这个微小的原子沿着一条轨道毫发无损地穿过了视界。在经典物理中,一个原子在一个被精确定义的跟原子自身差不多大小的点穿越视界。这似乎是正确的,因为根据等效原理,在氢原子穿过这个一去不复返点的时候应该不会有任何剧烈的反应。
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但是这太幼稚了。根据黑洞互补性原理,观测者从外部看到的是这个原子进入一个炙热的表层(延伸视界),就像一个粒子掉进一壶滚烫的水中一样。当这个粒子掉入热质中之后,它的每一侧都被能量自由度猛烈地轰击着。起初从它左面撞击,接着是上面,然后又是左面,接着再是右面。它蹒跚摇摆着就像一个喝醉的水手。这种布朗运动被恰当地称为随机游动。
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当一个原子掉入构成延伸视界的那些炙热的自由度之中,它将会做一模一样的事情:在整个视界上蹒跚行走。
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但是这样说有点过于简化。延伸视界温度极高,原子会被炸开——即被电离,这是一个专业术语——而电子和质子就会单独地在视界上摇晃着走动。电子和夸克甚至也可能被撕裂成更基本的组成部分。注意,这一切都应该在原子即将穿过视界还未穿过的时候发生的。我想是佩吉在享用他的第三份甜点时尖锐地提出这是不是意味着互补性原理的麻烦。居然是在原子穿越视界之前,似乎存在着两种关于原子的描述。在一种描述中,原子蹒跚行走于整个视界面上,且在那个时候被电离了。但是在另一种描述中,原子完全不受干扰地下落并直接冲向视界上的那个点。为什么外部的观测者无法观测原子?为什么该观测者会看到原子正发生着剧烈的反应?这将使得黑洞互补性原理最终是错的。
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当我刚开始解释的时候,我发现普雷斯基尔显然已经考虑过了这个问题并得到了跟我一样的结论。首先我们都注意到了原子只有达到视界附近温度为100 000度的点时才会被电离。它仅发生在离视界非常近的位置,大约只有百万分之一厘米的距离。那里是我们来观测电子的地方。这听起来不是十分困难,百万分之一厘米并不是那么小。
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海森伯会怎么做呢?答案当然是他会拿出他的显微镜并用波长合适的光来照亮原子。在这里,为了把它从一个厚度为百万分之一厘米的视界表层中分辨出来,他需要一个波长为10-6厘米的光子。通常问题就在这里:波长这么小的光子具有很高的能量;实际上,这些能量足够可以使它在撞击原子的时候电离原子。换句话说,任何证明原子不会被炙热的延伸视界电离的尝试,都会导致原子被电离。讲得更深刻一些就是,我们认为任何观察电子和质子在视界上随机游动的企图,都会将粒子炸掉并把它们散射到视界各处。
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在我的印象中,这次讨论并不理想,但是我还记得佩吉非常活跃并用他那极其洪亮的声音高声说,我在称这个想法为互补性原理的时候并不是在开玩笑。这就是玻尔和海森伯谈论的那类东西。实际上,在实验上反驳黑洞互补性原理与反驳不确定性原理非常相似——实验本身造成了那些它要去证伪的不确定性。
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当原子离视界更近时,我们讨论了会发生什么。海森伯的显微镜需要使用能量更高的量子。最终,为了追踪在视界表面厚度为普朗克尺度的表层中的原子,我们将必须用比普朗克能量更高的光子去撞击它。没有人知道这样的碰撞会是什么样子。世界上还没有一台加速器能将粒子加速到接近普朗克能量。普雷斯基尔将这个想法总结成了一个原理:
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任何关于黑洞互补性原理将导致可观测矛盾的理论证明,将不可避免地依赖于那些关于“超越普朗克尺度物理学”的无根据的假设,换句话说,这就是对一个远远超出我们经验范围的自然作出的假设。
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接着普雷斯基尔提出了一个很让我担心的问题。假设有1比特的信息掉入了黑洞。根据我的观点,外部的某个人可以收集霍金辐射并最终还原这1比特信息。但是假设在收集完这1比特信息后,他带着这1比特信息跳进了黑洞。那么在黑洞内部会有这1比特信息的两份拷贝吗?这就好比在你从邮递员那里接收到你的包裹后,你待在家里,而你的朋友进了你家。当两个观察者碰面并比较有关内部的事物时会出现矛盾吗?
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普雷斯基尔的问题给了我一记重拳。我没有思考过这样的可能性。如果内部的某人发现了两份同1比特信息的拷贝,那么这将破坏量子复印机不存在性原理。这是我遇到过的对于黑洞互补性原理最严峻的挑战。虽然几个星期之后我才全盘知晓了答案,但是普雷斯基尔当时他自己就拿出了部分的答案。他推测这两个复制品在他们撞向奇点前可能不会相遇。邻近奇点的物理学属于量子引力的神秘的未知领域。这使得我们艰难地躲过这一劫。正如事情所发生的那样,唐·佩吉的想法对于解除普雷斯基尔那个“炸弹”起了关键的作用。
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有人说下一个报告马上要开始了,讨论就仓促地结束了。我想这应该是这次会议的最后一个报告了,我不知道谁将演讲也不知道讲的是关于什么。我很担心普雷斯基尔的问题,所以不能集中思想听报告。但是在会议最终结束前的一个组织者的讲话打断了我的思绪。乔·波尔钦斯基站了起来说他要做一个调查投票。问题是:“你相信当黑洞蒸发时信息如霍金主张的那样丢失了吗?或者你相信如特霍夫特和萨斯坎德所宣称的信息会跑出来吗?”我怀疑在会议之前大部分人都倾向于霍金的观点。我很好奇,想看人们在会议中有没有动摇。
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与会者被要求在常见的三个候选者以及外加的第四个选项中选择一个投票。这里是选项及其解释:
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1.霍金选项:信息掉进黑洞后便不能挽回地丢失了。
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2.特霍夫特和萨斯坎德选项:信息在霍金辐射中的光子和其他粒子中。
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3.信息被束缚在微小的普朗克尺度的残留物中。
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4.其他。
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大家举手表决,乔·波尔钦斯基在报告厅前面的白板上统计了结果。有人给这块板照了相以示后人。承蒙乔·波尔钦斯基允许,图示如下:
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最终结果为:
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