2023年7月9日发(作者：)

第 43 卷第 2 期

■科技进展

doi:10.3969/.0253-9608.2021.02.007黑洞信息佯谬：落入黑洞的信息丢失了吗？余明辉，葛先辉†上海大学 理学院物理系，上海 200444*摘要 黑洞信息佯谬自提出至今已困扰理论物理学家近50年。揭秘黑洞信息佯谬是研究量子引力理论的一个重要途径。最近，物理学家在半经典引力理论下给出了黑洞蒸发过程的佩奇曲线，这表明在黑洞蒸发过程中确实释放了信息，从而证实无任何的信息丢失，这也宣告着黑洞信息问题的解决。文章以时间顺序来介绍黑洞信息佯谬研究的历史和现状。关键词 黑洞信息佯谬；霍金辐射；佩奇曲线；纠缠熵；AdS/CFT对偶；量子极值面1 黑洞信息的疑难

黑洞无毛定理[1]是指所有掉入黑洞的物质其所有信息都将失去，从而无法得知黑洞内部状态。外部观测者只能知道黑洞的总质量、总电荷和总角动量。虽然外部观测者无法得知黑洞的内部信息，但这些信息并未消失，只是被“封锁”在黑洞内部“看不见”而已。然而，霍金辐射[2]理论可推导出黑洞会通过热辐射蒸发。由于纯粹热辐射带不走任何的信息，但在黑洞辐射的最后，所有的内部信息将彻底消失——黑洞信息佯谬。显然，这一结果不仅会破坏物理学中许多重要定律，如重子数守恒、轻子数守恒等，而且会给目前以量子力学的基本原理——幺正性与几率守恒为基础所取得的所有重要成果带来灾难。因此，黑洞信息丢失问题这一物理学危机，成为广义相对论与量子引力这两大物理理论碰撞的焦点。1997年，霍金(Stephen Hawking)和另一位相对论专家索恩(Kip Thorne)就曾与粒子物理学家*国家自然科学基金项目(11875184)普瑞斯基(John Preskill)打赌(图1)：霍金与索恩认为黑洞发出的辐射过于杂乱无章，以至于即使理论上也无法检测到任何关于黑洞的有用信息；普瑞斯基的观点则是，即便物理学家可能需要一套完整的量子引力理论来完美解释其背后的机制，但信息仍会以某种方式逃离黑洞。2004年7月，霍金突然宣布他输了，理由是：根据黑洞互补理论[3]，对于黑洞内外两个观测者分别而言，穿过黑洞事件视界的信息既反射出来又进入内部，永不逃逸(因为没有人可以同时观察到两种情况，所以并不会产生矛盾)。霍金愿赌服输，以一本百科全书作为赌注赠给了普瑞斯基，但索恩却拒绝认输，为故事后来的发展埋下伏笔。在近期的研究中，这个问题终于迎来突破性进展。理论物理学家发现，黑洞内部的信息的确从黑洞中完全逃逸出来，并没有任何信息的丢失。为表彰对这一系列研究作出重要贡献的几位杰出物理学家，2021年的新视野物理学奖颁发给了阿姆黑利(Ahmed Almheiri)、马克斯菲尔德(Henry Maxfield)、恩格哈尔特(Netta

†通信作者，研究方向：引力与黑洞物理、规范场/引力对偶的应用、强关联体系输运性质和相变。E-mail:*****************127Chinese Journal of Nature Vol. 43 No. 2 PROGRESSEngelhardt)和彭宁顿(Geoff Penington)，以表彰他们对黑洞及其辐射量子信息内容计算所作出的贡献。虽然对于解决方法的细节还存在诸多争议，但相信这个问题即将迎来终结。本文将以黑洞信息佯谬的提出为起点，以时间顺序来介绍此工作的历史背景与相关进展。图1从左至右依次为普瑞斯基、索恩和霍金(图来自百度网站)2 黑洞的历史爱因斯坦于1905年创建了狭义相对论，1915年又在狭义相对论的基础上创建了广义相对论。广义相对论是物质世界的时空理论和在时空中物质运动的普遍理论。基于爱因斯坦伟大且富有哲学的思想，其将万有引力解释为时空的弯曲，认为万有引力区别于其他力是一种几何效应。广义相对论的核心是爱因斯坦场方程：

R1

µν