趙崢，1967年畢業(yè)于中國科技大學(xué)物理系，1981年于北京師范大學(xué)天文系獲碩士學(xué)位，1987年于布魯塞爾自由大學(xué)獲博士學(xué)位。曾任北京師范大學(xué)研究生院副院長，物理系主任，中國引力與相對論天體物理學(xué)會理事長，中國物理學(xué)會理事。現(xiàn)為北京師范大學(xué)物理系教授，理論物理博士生導(dǎo)師，教育學(xué)博士生導(dǎo)師。

黑洞理論剛剛提出的時(shí)候，有些科學(xué)家就指出，黑洞存在信息疑難。這是因?yàn)?，對于黑洞外的人，他們將永遠(yuǎn)失去那些形成黑洞，以及后來掉進(jìn)黑洞的物質(zhì)的幾乎全部信息，只剩下那“3根毛”（科學(xué)家把信息戲稱為“毛”，提出了“無毛定理”。這個(gè)定理說黑洞沒有毛，也就是說黑洞內(nèi)部的信息外面的人都探測不到。實(shí)際上，黑洞還有3根毛，即總質(zhì)量、總電荷和總角動(dòng)量，外部觀測者還能探測到這3點(diǎn)信息，看到這3根毛）。這種情況會否影響信息守恒呢？多數(shù)人認(rèn)為不會。雖然外部的人失去了黑洞內(nèi)部物質(zhì)的信息，但是這些信息并沒有從自然界中消失，它們只不過被鎖在了黑洞內(nèi)部。我們雖然得不到這些信息，但它們依然存在，所以不會影響信息守恒。

霍金輻射發(fā)現(xiàn)之后，這個(gè)問題變得嚴(yán)重起來。這是因?yàn)楹诙磧?nèi)的物質(zhì)會化為熱輻射跑出來，而熱輻射是最簡單的輻射，幾乎不攜帶任何信息。人們還注意到，黑洞的比熱為負(fù)。這就是說黑洞與我們通常碰到的物質(zhì)都不同，一般物質(zhì)的比熱都是正的，吸熱時(shí)溫度升高，放熱時(shí)溫度降低。

可是黑洞不同，研究表明，黑洞的溫度和它的質(zhì)量成反比。黑洞吸熱時(shí)質(zhì)量增加，溫度反而降低；放熱時(shí)質(zhì)量減少，溫度反而升高。因此，黑洞具有負(fù)的比熱。

具有負(fù)比熱的物體，雖然也能與外界達(dá)到熱平衡，但這種平衡是不穩(wěn)定的。例如，如果黑洞周圍存在熱輻射，輻射溫度與黑洞溫度相等，那么它們處于熱平衡狀態(tài)。熱學(xué)研究告訴我們，任何情況下都會存在熱漲落，熱漲落會使原來的平衡態(tài)略微偏離平衡。

黑洞與周圍的熱輻射也會出現(xiàn)熱漲落。如果漲落的結(jié)果是黑洞溫度比周圍熱輻射的溫度降低了一點(diǎn)，則外界的熱量將流向黑洞，黑洞吸收外部的熱輻射后，質(zhì)量增加，溫度將降低，與外界的溫差會進(jìn)一步拉大，將有更多的熱輻射涌進(jìn)黑洞。這樣，黑洞會越來越大，溫度越來越低，直至把外部的熱輻射全部吸進(jìn)去。如果漲落的結(jié)果是黑洞比周圍熱輻射的溫度高了一點(diǎn)，那么會有熱能以輻射形式從黑洞射出。這時(shí)黑洞質(zhì)量會減少，溫度會進(jìn)一步增高，這將導(dǎo)致更多的熱量流出黑洞。于是黑洞會越來越小，溫度會越來越高，往外的熱輻射流會越來越大。最后小黑洞會發(fā)生爆炸，全部轉(zhuǎn)化為不帶信息的熱輻射，以至黑洞完全消失。

一般物體由于比熱為正，與外界的熱平衡肯定是穩(wěn)定平衡。上面描述的黑洞與外界熱平衡為非穩(wěn)平衡的情況，完全是黑洞的負(fù)比熱造成的，可以說是黑洞的一個(gè)特有性質(zhì)，其他物質(zhì)罕有比熱為負(fù)的情況。負(fù)比熱導(dǎo)致的黑洞全部轉(zhuǎn)化為熱輻射的現(xiàn)象，會使鎖在黑洞內(nèi)部的信息真的從自然界消失，黑洞過程真的會破壞信息守恒。這可是個(gè)嚴(yán)重問題！

量子論專家特別看重這一結(jié)論，因?yàn)楝F(xiàn)代量子理論建立在所謂“幺正性”之上，即建立在概率守恒的基礎(chǔ)之上。在他們看來，信息不守恒將導(dǎo)致概率不守恒，從而破壞量子理論的幺正性。他們認(rèn)為這是完全不可接受的。

相對論專家則覺得問題沒有那么嚴(yán)重。物理學(xué)中原本沒有信息守恒定律，信息不守恒也是完全可能的。所以，許多相對論專家認(rèn)為，從黑洞理論看，信息真的不守恒。他們認(rèn)為黑洞理論是正確的，信息不守恒就不守恒，沒有什么了不起的。信息不守恒并不影響相對論的正確性。

關(guān)于黑洞演化過程中信息是否守恒的爭論持續(xù)了多年。1997年，以霍金和另一位相對論專家索恩為一方，以量子論專家普瑞斯基為另一方，就信息是否守恒的問題打了一場賭?；艚鸷退鞫髡J(rèn)為落入黑洞的物質(zhì)的信息，最終丟失了，信息不守恒。普瑞斯基則認(rèn)為落入黑洞的信息不會丟失，一定會以某種方式跑出來，或者永遠(yuǎn)保存在黑洞里面。

2004年，霍金突然宣布自己輸了，認(rèn)為黑洞過程不會破壞信息守恒。而那位以研究時(shí)空隧道和時(shí)間機(jī)器聞名的索恩則不承認(rèn)自己輸了，他說：“這事也不能由霍金一個(gè)人說了算，我不承認(rèn)輸了。”普瑞斯基則表示，自己沒有聽瞳霍金的報(bào)告，沒有弄明白自己怎么會贏了。

這件事發(fā)生于在愛爾蘭召開的一次國際相對論研討會上。會上霍金作了一個(gè)高級科普報(bào)告，論述黑洞演化過程中信息為什么不會丟失?；艚鹂偟南敕ㄊ牵郧鞍押诙聪胂蟮锰硐肓?。真實(shí)的黑洞不像我們從理論算出的那樣，真實(shí)的黑洞并沒有那么“黑”，所以進(jìn)入黑洞的信息都會跑出來。

這個(gè)高級科普報(bào)告中只有一個(gè)半公式，即一個(gè)公式和一個(gè)表達(dá)式（半邊公式）。真的很難聽明白其具體內(nèi)容。不過霍金表示，他不久將發(fā)表一篇學(xué)術(shù)論文，包括詳細(xì)的論證，說明自己的思想和結(jié)論。但是，迄今為止，他仍沒有發(fā)表這篇論文。有可能是他身體不好，那以后他一直健康狀況欠佳。也有可能是他又猶豫了，改變了想法?？茖W(xué)家思維活躍，經(jīng)常會改變想法。

有些記者當(dāng)場調(diào)查了與會相對論專家對此事的看法。到會的近100位專家中，大多數(shù)認(rèn)為黑洞過程不會破壞信息守恒，然而也有約三分之一的專家認(rèn)為，黑洞過程信息不守恒。

實(shí)際上，在此次會議之前，許多主張信息守恒的物理學(xué)家就發(fā)表了不少科研論文，以論證落入黑洞的信息一定會以某種方式跑出來，或者霍金輻射會在黑洞小到某個(gè)質(zhì)量、溫度升到某個(gè)高度時(shí)突然截止。他們認(rèn)為這可能是一種以前不知道的新的量子效應(yīng)。由于這種量子效應(yīng)，黑洞蒸發(fā)（即熱輻射）截止，信息將作為“爐渣”永遠(yuǎn)殘留在小黑洞內(nèi)部，不會從宇宙中消失。

其中比較有影響的是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者維爾塞克（因研究強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)獲獎(jiǎng)）及其學(xué)生帕瑞克的工作。他們認(rèn)為，以前證明黑洞具有霍金輻射的論文，包括霍金本人的論文，都無一例外地忽略了射出粒子對黑洞的“反作用”。具體來說，就是都沒有考慮射出一個(gè)粒子后，黑洞就會減少一個(gè)粒子的質(zhì)量，因此黑洞半徑將會有一個(gè)收縮，此收縮雖然非常非常小，但卻不應(yīng)該忽略。這一收縮會給黑洞的熱輻射譜造成微小的修正，大家不應(yīng)小看了這一點(diǎn)修正。這一點(diǎn)修正使輻射偏離了嚴(yán)格的黑體譜，從而會有一點(diǎn)信息跑出來。他們證明了考慮這一修正，就會使落入黑洞的信息跑出來，從而保證了信息守恒。

正是他們的工作，以及其他一些人關(guān)于信息守恒的論證，使包括霍金在內(nèi)的許多相對論專家產(chǎn)生了動(dòng)搖，不少人轉(zhuǎn)而支持信息守恒。

霍金這次打賭的消息被媒體傳遍全球，引起許多人的關(guān)注。我和我的博士生張靖儀也對此很感興趣。我們覺得，物理學(xué)中并沒有“信息守恒定律”。我們注意到，信息論專家認(rèn)為信息是“負(fù)熵”，包括霍金在內(nèi)的不少物理學(xué)家也贊成這一觀點(diǎn)。然而，物理學(xué)中有一條熱力學(xué)第二定律，此定律說熵不守恒，自然過程中的熵總是增加的。如果信息是負(fù)熵，按照熱力學(xué)第二定律它就不會守恒，所以，信息守恒只不過是量子論專家一廂情愿的想法。這是因?yàn)樾畔⑹睾憧梢跃S持多年建設(shè)起來的量子論框架，使理論顯得簡潔美妙。但是，愿望歸愿望。如果信息被視作負(fù)熵是正確的，那么信息守恒定律就會和熱力學(xué)第二定律沖突，而第二定律是久經(jīng)時(shí)間檢驗(yàn)的。我和張靖儀認(rèn)為，在信息守恒與第二定律之間，我們還是應(yīng)該堅(jiān)持第二定律，不應(yīng)該受信息守恒的約束。下面談一下我們對黑洞信息疑難的看法。

（1）自然界中不存在信息守恒定律。如果信息的確是負(fù)熵，則熱力學(xué)第二定律將導(dǎo)致“信息不守恒”的結(jié)論。

（2）霍金的意見有一定道理，以前我們的確把黑洞想象得過于理想。真實(shí)的黑洞輻射有可能偏離黑體譜，有可能從黑洞中帶出部分信息，但未必是全部信息。所以，仍不能保證信息守恒。

（3）以往對黑洞產(chǎn)生霍金輻射的證明，都是針對不隨時(shí)間變化的黑洞。對這類靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)的黑洞，在不考慮輻射反作用的情況下，確實(shí)可以證明輻射是嚴(yán)格的黑體輻射。然而，真實(shí)的黑洞都處在變化中，不斷有霍金輻射跑出，也不斷有外界物質(zhì)落入。這樣的動(dòng)態(tài)黑洞的霍金輻射譜，似乎應(yīng)該偏離黑體譜。不過，至今我們尚未能證明這一點(diǎn)。

本文節(jié)選自上海教育出版社出版的《愛因斯坦與相對論——寫在廣義相對論創(chuàng)建100周年之際》，有刪改。