伦纳德·萨斯坎德对一件很可能永远不会发生的事情深感忧虑，至少在宇宙中最后一颗恒星燃尽很久之后才会发生。他并不是唯一一个感到忧虑的人。斯坦福大学的理论物理学家萨斯坎德和他的许多著名同事最近一直在思考黑洞的最终命运，黑洞是时空中神秘的、吞噬光线的深渊，物理学家认为，当大质量恒星的核心内爆时，黑洞就会形成。特别是，萨斯坎德和他的同事们一直在考虑黑洞存在的最后时刻，因为这些奇异的“非物体”的临死挣扎对科学构成了巨大的挑战。
“我们遇到了一个没人知道如何调和的重大悖论，”萨斯坎德说。
这个悖论的根源在于著名英国物理学家（也是《星际迷航》迷）斯蒂芬·霍金所做的工作。1974年，霍金写了一篇题为《黑洞并不黑》的文章，他在其中声称一些辐射可以从黑洞中逃逸，这让物理学界大吃一惊。这完全违背了当时物理学家对黑洞的所有认知。毕竟，黑洞这个名字本身就反映了这样一个确定性：没有任何东西——甚至光——能逃脱物体巨大的引力束缚。此外，霍金说，辐射的缓慢流失意味着黑洞最终会像阳光下的雪球一样完全蒸发，并从宇宙中消失。
没有人真正能目睹黑洞消亡的机会不大。物理学家认为，在很长一段时间内，宇宙中的所有黑洞将继续吸收物质——气体、尘埃，甚至整个恒星——速度比它们辐射出去的要快。“我曾经计算过由一颗恒星产生的黑洞需要多长时间才能蒸发，”萨斯坎德说，“但这个时间比宇宙的年龄要长很多倍。”
然而，这种发生在难以想象的遥远未来的消失现象，却让像萨斯坎德这样的物理学家夜不能寐，因为它带来了棘手的理论含义。“蒸发是令人讨厌的地方，”萨斯坎德说。这种蒸发，以及黑洞发射的所谓霍金辐射的特殊性质，似乎与物理学最基本的原理之一相矛盾。“所有目前的物理学都非常依赖于这样一个假设，即你可以从现在恢复过去——原则上是这样，尽管并非总是在实践中如此，”萨斯坎德说。但是黑洞，令物理学家们非常困惑的是，似乎打破了这个规则。
物理学家喜欢能够追溯时间。例如，在使用粒子加速器时，他们将亚原子粒子撞击在一起，然后从新产生的粒子喷射中回顾性地拼凑出碰撞的细节。同样，当超新星爆炸时，天体物理学家可以观察到喷射到太空中的辐射和气体，并回溯以了解爆炸前发生了什么。
但奇怪的是，物理学家无法对蒸发的黑洞做同样的事情。黑洞就像一个鬼鬼祟祟的宇宙罪犯，隐藏了所有关于它过去的线索。超新星爆炸后留下的发光星尘几乎是在尖叫着它的爆炸起源，而从黑洞中流出的霍金辐射却是沉默的——它根本不携带关于黑洞内部是什么，或者黑洞如何形成、成长和死亡的任何信息。
“当物体落入黑洞时，”萨斯坎德说，“据我们所知，区分落入其中物的那些信息被抹去了。从我们能判断的来看，发出的辐射产物似乎是无特征的，并且完全独立于落入物。换句话说，黑洞切断了过去、现在和未来之间的联系。”
当然，在日常生活中，物理学家无法重建过去的例子比比皆是。烧掉这本杂志，从灰烬中你永远无法判断它曾经包含了一篇关于黑洞的文章。然而，原则上，如果你能足够仔细地监测燃烧过程，你可以追踪所有将杂志还原为灰烬的分子相互作用：例如，纸浆分解为烟灰碳分子，或者一些纸张转化为二氧化碳和一氧化碳等气体。通过逆向运行这些反应，你原则上可以恢复这本杂志。但是，如果你将杂志扔进黑洞，在那里强烈的引力最终会将页面撕裂成原子，你将无法通过研究黑洞的霍金辐射来重新制作这本杂志。黑洞具有令人困惑的“蛋头先生”特性，使得即使在理论上也不可能将它们——或任何落入它们的东西——在它们蒸发后重新组合起来。
霍金辐射之所以带来如此多的困扰，是因为它的产生方式很不寻常。当霍金首次公布他的辐射黑洞理论时，物理学家们都感到困惑，因为一旦物体落入黑洞，就没有任何东西应该出来——黑洞的引力实在太强大了。但霍金辐射并非来自黑洞内部；它从黑洞周围但外部的空间真空中爆发出来，安全地超出任何东西都无法逃逸的区域。因此，与超新星爆炸时释放的能量和碎片，或杂志燃烧时产生的灰烬和能量，甚至与从咖啡杯中升起的蒸汽不同，霍金辐射与其来源没有直接联系。如果咖啡杯以这种方式表现，蒸汽将远离杯子出现，并且没有任何独特的香气；蒸汽的温度将与咖啡的温度无关。
“这个过程对黑洞内部发生的一切一无所知，”加州大学圣巴巴拉分校的安德鲁·斯特罗明格说，他职业生涯的大部分时间都致力于霍金辐射和蒸发黑洞的谜团。“既然辐射没有关于黑洞内部发生的一切的信息，它又如何能携带任何信息出来呢？”
自从霍金首次指出黑洞，就像老照片一样，最终会消逝以来，这个问题就一直困扰着物理学家。霍金的推理是基于现代物理学中最令人惊讶和反直觉的发现之一——即，发现真空并非空无一物，而是一个由成对的虚物质和反物质粒子组成的波涛汹涌的海洋。这些粒子自发地闪现进出存在，以一种微弱到我们无法察觉的微妙烟花展示中相互湮灭。这些粒子是如何从虚无中产生的呢？根据量子力学，没有任何系统，甚至真空，是完全没有能量的。波动的能量场弥漫在虚空中。有时，这种能量会凝结成一对粒子。在最短暂的瞬间，一个粒子和它的反物质分身闪现存在，靠着真空的能量而生。通常这些虚粒子不会长时间存在——它们相互湮灭，在任何人注意到它们的存在之前再次转化为能量，从而偿还它们对真空的债务。
但是，如果除了真空之外还有一些外部能量来源——电场或强大的引力场——那么虚粒子就可以从场中获得足够的能量提升，从而在可观测宇宙中存活下来。它们变成了真实粒子。然而，在物理学中，没有免费的午餐。如果一个系统获得能量，另一个系统就必须失去能量。
当粒子对在黑洞外部的真空中出现时，它们可以劫持黑洞引力能量的一小部分；虚粒子通过利用曾扭曲黑洞周围空间的能量而变为真实粒子。有了这些额外的能量，粒子们得以逃脱立即沉回不安定的虚空。借来的能量不仅赋予了虚粒子质量，还给了它们一个“欢迎来到真实世界”的动量冲击：粒子像蜂群沸腾而出一样，带着随机的轨迹组合而生。其中一些轨迹指向黑洞，另一些则远离。通常黑洞会捕获两个粒子，它们的能量只是返回黑洞。在这种情况下，黑洞没有净能量损失。但霍金指出，偶尔，一些这些在黑洞“不归点”之外产生的真空粒子，拥有足够的能量并且方向正确，可以逃逸到太空中，与它们的反粒子分离。当这些粒子从黑洞中逃逸时，它们会带走黑洞的一些能量。自从爱因斯坦的相对论以来，物理学家们已经意识到质量和能量可以互换，所以黑洞的能量损失实际上转化为质量损失，黑洞因此缩小。
目前，所有黑洞吸收新物质的速度都远快于其辐射速度，并且这种情况将持续无数纪元。在黑洞开始收缩之前，它必须比周围环境更热，就像一块烧红的煤炭在从火中取出之前不会冷却一样。然而，霍金辐射的温度极低，仅比绝对零度高出几百万分之一度。即使是星际空间，通常不被认为是特别温暖的，其背景温度也远高于此，大约比绝对零度高3摄氏度，这是宇宙炽热诞生的遗迹。但随着宇宙持续膨胀和冷却，在遥远、黑暗的未来，大约10^69年后，空间理论上可能会变得足够寒冷，足以让黑洞蒸发。
假设宇宙本身能存活那么久，当一个黑洞最终消失时，理论学家认为，它会释放出大量的、高能量的霍金辐射。辐射量取决于黑洞周围引力场在时间和空间上如何变化。变化越快，霍金辐射流越大。根据广义相对论中经常反直觉的原理，黑洞和其他大质量物体会使空间结构凹陷，就像一个躺着的相扑选手会压低水床一样。当一个黑洞仍然非常大时，它的引力场会在广阔的时空区域内产生相对平滑的凹陷。这种场中的波动——可以将其视为水床中随机产生的涟漪——几乎不明显，霍金辐射只是涓涓细流地流出。
但随着黑洞萎缩——把相扑手换成骑师——波动相对于被黑洞引力扭曲的缩小版时空补丁变得更加明显；在较小的凹陷中，水床上的涟漪现在变成了一波。就像海洋中的波浪将漂浮物冲上沙滩一样，这些能量波动为虚粒子提供了跃入存在所需的额外动力。随着黑洞变得更小，霍金辐射稳步增加；最后，它急剧增加。
事实上，就在黑洞消失之前，它将不再是黑色的了。相反，它会比周围空间热得多，以惊人的速度辐射能量。“当你接近最后一秒时，黑洞将拥有极其巨大的能量，”霍金的密友、加拿大高级研究所物理学家唐·佩奇说。“它可能会在很短的时间内拥有与超新星一样多的能量。非常粗略的估计表明，如果黑洞的最后一秒在月球内部度过，它将拥有足够的能量将月球炸开。”
黑洞的汽化是否能分裂月球，仍然是遥远未来的猜测。但回到现在，黑洞蒸发的问题已经将物理学界分裂成三个截然不同且相当遥远的阵营。一些物理学家，包括霍金，认为黑洞中包含的信息在黑洞蒸发时就永远丢失了，我们无法理解信息丢失是现代物理学基本缺陷的症状。至少同样多的物理学家，包括萨斯坎德，认为信息潜藏在辐射的某个地方，如果我们能弄清楚如何破译它，就可以检索回来。还有第三个群体认为信息储存在蒸发黑洞的残余物中，但永远无法访问。
霍金对整个问题显得有些漫不经心。在一次问答之间有十分钟停顿的电话交谈中（霍金因卢伽雷氏症而身体虚弱，通过他用两根手指控制的电脑附件费力地拼写出简洁的回复；然后电脑生成一种略带金属声的合成声音），他这样说道：“我不认为信息丢失是个大问题。这只是意味着我们必须以一种更普遍的方式来阐述量子力学。”
霍金似乎对自己所造成的影响进行了极其轻描淡写的陈述。其他物理学家认为信息丢失是物理学中最严重的理论问题。至于修改量子力学，这绝不是一个小问题；霍金本人也曾尝试过，但失败了。他试图通过展示信息丢失只是宇宙中普遍存在的一个我们忽视的事实来规避这个悖论。他提出，信息可能会定期被销毁，尽管可能只以几乎无法察觉的顺势疗法大小的剂量发生。这会如何发生？好像虚粒子从真空中冒出来还不够奇怪，霍金还提出微型黑洞也可能从虚空中爆发出来——又回到虚空中——有时还会带走信息。
尽管这些迷你黑洞——以及它们更大的表亲——看起来很奇特，但它们却是出人意料地简单的物体。或者用普林斯顿大学已退休的物理学家约翰·惠勒（他创造了“黑洞”一词）的话来说：“黑洞没有毛发。”这意味着黑洞非常容易描述。一旦你了解了一个黑洞的质量、自旋以及其他一些基本要素，它的画像就完整了。它们远不如恒星、行星或人类复杂——更类似于基本粒子的简单性。因此，它们从真空中出现并不像听起来那么荒谬。
“就像电子、光子和其他粒子不断地进出真空一样，量子力学定律也意味着小黑洞也可以跳出真空，”安德鲁·斯特罗明格说。“有充分的理由相信这个过程应该极其罕见。但没有充分的理由相信它永远不会发生。令人担忧的是，当一个小黑洞进出真空时，在其短暂的存在期间，它可能会吞噬一些信息并消失。这将是一个微小的影响。然而，人们会认为，随机进出真空的黑洞将导致某些过程中物理学微小的违背。换句话说，物理学家假设他们可以追溯任何给定过程的时间是错误的。如果霍金是正确的，一个坐在咖啡杯里的小黑洞可能会在蒸汽逸出之前偷偷吸入一些分子。”
早在1983年，伦纳德·萨斯坎德和其他人就开始认真审视霍金解决悖论的提议，他们发现其中存在严重缺陷。“我们倾向于发现的是，任何能够摧毁信息的行为，同时也会摧毁能量守恒，”萨斯坎德说。“而且是以一种残酷的方式摧毁。”他指出，信息并非独立于能量而存在；两者是相互交织的。例如，在摩尔斯电码信息中，电子沿着电线传递能量和信息。在钻石中，碳原子的相互作用赋予钻石其强度、光泽和其他可辨别的品质。甚至思考也需要消耗化学能。
“如果信息完全离开宇宙，它就必须伴随着能量才能做到，”斯特罗明格说。“现在我们有能量离开宇宙。这非常有问题。”
迄今为止，没有人，包括霍金，提出过一个在信息丢失的同时不违反能量守恒原理的理论。事实上，一些物理学家怀疑信息不可能从宇宙中消失。杰拉德·特·胡夫特，一位杰出的荷兰物理学家，就是其中之一。在过去十年中的大部分时间里，特·胡夫特一直试图攻克这个问题，但至今仍未成功。他属于那个认为霍金辐射以某种方式编码了黑洞历史信息的阵营。“我认为信息很可能只是以伪装的形式回到霍金辐射中，”他说。“实际上很难恢复信息，但原则上它会在那里。那样的话，黑洞的行为与一桶水没有根本的区别。如果你让水蒸发，你不会说信息真的被保留了，但在理论上信息并没有被抛入虚无——它伪装在带走它的水蒸气粒子中。”
症结所在仍然是霍金辐射并非像水蒸气从桶中出来那样来自黑洞。因此，正如斯特罗明格所问，它怎么可能包含任何信息呢？答案可能在于，特·胡夫特说，霍金关于黑洞辐射的理论是不完整的——在处理一个极其困难的问题时，霍金不可避免地被迫简化了他的部分计算。具体来说，特·胡夫特说，霍金忽略了落入黑洞的物质与逃逸的霍金辐射之间可能存在的相互作用。
“粗略地说，霍金所做的近似是：当你计算黑洞发射了多少粒子时，你暂时忽略了这些粒子也相互作用，”特·胡夫特说。“而且，我认为非常重要的是，我们还忽略了它们可能与落入黑洞的粒子相互作用的事实。这些可能的相互作用——它们可能是引力的、电磁的，或物理学中已知的任何其他类型的遭遇——实际上将极其难以探测，”特·胡夫特说，“但如果理论家能证明霍金辐射确实与落入黑洞的物质相互作用，并携带这些相互作用的信息回到太空，那么信息悖论至少可以被规避，如果不能解决的话。”
普林斯顿高等研究院的物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）至少部分同意特·胡夫特的观点。“霍金的计算显然不精确。它需要重要的修正。但这些修正到底有多重要，以及它们可能对辐射产生什么样的性质变化，并不那么清楚，因为它们很难计算。霍金，他开玩笑说，只做了容易的部分。”
斯特罗明格完全不同意威尔切克和特·胡夫特。像霍金一样，他认为没有任何信息从黑洞中流出。“人们总是可以说他们不相信这些近似，”他说，“但他们能写下一些方程并向我展示信息流出吗？”相反，斯特罗明格认为信息不一定丢失，但也不一定可恢复；相反，它可能以一种使其永远被锁定的方式保存下来。
斯特罗明格可以稍微傲慢一点。1992年2月，他是四位论文作者之一，该论文（即使没有其他作用）至少在近20年断断续续的进展后，为对这个问题感兴趣的物理学家提供了一些新的争论点。
那篇名为《瞬逝黑洞》的论文，成功地大大简化了黑洞蒸发的某些方面。四位物理学家没有试图以其凌乱的复杂性来模拟黑洞的消亡，而是提出了一个二维模型，其中包含了真实事物的许多基本特征。以这种方式缩小问题规模是理论学家们迈向真正解决方案的第一步的常用策略。“之前的大部分讨论都是在大型宏观黑洞的形成和蒸发背景下进行的，”斯特罗明格说，“那是一个技术上非常困难的问题。你无法真正写出描述它的方程。而物理学家在没有方程的情况下表现得不太好。”
在二维模型中，斯特罗明格和他的同事们假设黑洞在某个点可能会停止蒸发。这个假设并非完全随意。“最终，”斯特罗明格说，“黑洞会缩小到一个物理定律无法理解的大小。”尽管黑洞很可能会继续蒸发直到最终消失，但四位物理学家希望探索一个替代结局。“黑洞可能会稳定下来，这是一个逻辑上的可能性，我们应该调查这对信息悖论的影响，”斯特罗明格说。
这种稳定的迷你黑洞，物理学家称之为残余物，将比质子还小，但质量却要大上10万亿亿倍。所有落入原始黑洞的物质的残骸都将存放在这些微小的陵墓中，尽管是以一种非常致密、压缩的形式。“信息就真实地存在那里，”斯特罗明格描述着残余物内部的物质。“它可能被引力稍微压扁了，但情况是它真实地存在那里。”问题在于，没有人能够获取这些物质并重建它的过去。
尽管“残余物”的想法得到了相当大的支持，但它也受到了猛烈的抨击。“引用杰拉德·特·胡夫特的话说，”萨斯坎德表示，“‘我永远不会思考残余物，除非用我智慧的残余。’”
主要阻力之一是不可避免的结论：由于没有两个黑洞会摄入相同的气体、辐射和恒星，每个黑洞都会留下自己独特的残余物，从而产生无限多种可能的残余粒子。量子力学定律指出，这些亚微观残余物也可能从真空中冒出来。残余物批评者认为，无限多种残余物的问题在于，它们从真空中物质化的概率也变得无限大。它们将无处不在，无时无刻。基本上，我们所知的宇宙根本就不会存在，斯特罗明格解释了他的批评者的推理。宇宙在早期阶段不会主要产生普通的初级粒子，而是会主要产生残余物。
为了回应这些反对意见，斯特罗明格和包括罗格斯大学物理学家汤姆·班克斯（曾与萨斯坎德合作批评霍金修改量子力学的尝试）在内的其他人，撰写了第二篇论文，更详细地描述了“残余物”，该论文于去年五月发表。该论文认为，“残余物”在某种意义上非常类似于质子、中子和其他熟悉的粒子——简单、无特征的物体。所有“残余物”都具有相同的不可约质量和大小，重约十万分之一克（对于比原子还小的东西来说，这是一个巨大的质量）。从这个角度来看，“残余物”从虚空中涌出的可能性并不比亚原子粒子世界中的任何其他粒子更大。
论文接着说，残余物也非常巨大，因此它们会像微型黑洞一样扭曲时空。所以研究人员将他们的残余物重新命名为“丰饶之角”，以暗示他们认为残余物将具有的无限长、像角一样的形状。“它们就像水槽里的一个排水口，”斯特罗明格说。“从外面看，排水口的边界只是一个小圆圈。但如果你看里面的体积，你会发现有很多空间。”原始黑洞落入的所有信息都将被困在这个无限大的角状空间中。
“残余物”的想法能解决信息丢失问题吗？残余物的无限内部仍然无法访问；没有任何东西会从中出来。知道信息在那里，这对物理学家来说仅仅是一种安慰吗？斯特罗明格和班克斯有截然不同的看法。
“现在我们真的进入了我们不知道答案的问题，”斯特罗明格说，他认为信息永远丢失和储存在残余物中无法触及之间没有太大区别。“我们如何在信息可能以这种方式有效丢失的情况下构建物理学？这些都是我们目前不理解的问题。”
另一方面，班克斯表示，重要的是信息并没有真正丢失。他说，它在宇宙的某个地方，所以我们不必像霍金最初建议的那样，创建一个以某种根本性方式丢失信息的新理论。这里发生的是空间正在伸展，我有了新的地方来存放信息，但信息并没有消失。它只是到了一个我再也无法与它交流的地方。
尽管“残余物”的支持者赢得了一些追随者，但相当一部分人，包括萨斯坎德、特·胡夫特、维尔切克、佩奇等人，仍然持怀疑态度。他们中的许多人有一种直觉，认为信息丢失问题在有人找到一种方法实现爱因斯坦以来所有物理学家都未能实现的目标之前，是无法解决的：将量子力学和广义相对论无缝地统一起来。这样的理论将连接由量子力学描述的微观世界与爱因斯坦关于引力如何塑造宇宙的宏大愿景。许多物理学家对蒸发黑洞如此着迷的原因之一是，在应对这一困境时，他们希望自己可能在其他所有人都失败的地方取得成功。黑洞，以其相对论性的时空扭曲和量子式的蒸发辐射，看起来是寻找这两种理论之间联系的好地方。
“爱因斯坦总是在思考坠落的电梯，”萨斯坎德说，指的是爱因斯坦思考引力本质的一系列思想实验。“那不是因为他对奥的斯电梯公司感兴趣。那是一种将注意力集中在一种物理现象上的方式。这同样如此。思考黑洞及其蒸发是一种将注意力集中在可能影响所有物理学现象上的方式。因此，通过思考这个问题，或许能够解决它，我们可能会找到在构建引力量子理论方面取得进展的方法。”
无论这些尝试的结果如何，这场理论游戏的赌注都非常高。“如果霍金辐射真的没有特征，这意味着你无法从黑洞中出来的东西重建进去的东西，”弗兰克·维尔切克说。“而相当基本的物理原理表明，未来和过去之间存在着独特的联系。这甚至不仅仅是物理学。在我看来，如果未来和过去之间没有独特的联系，那将是对整个科学哲学的一个非常沉重的打击。”
目前，物理学家将继续争论现有的理论到底需要修改多少，如果需要的话。毫无疑问，一旦科学界有更多机会回应“丰饶之角”的观点，新一轮的争论将出现。那么，对造成所有这些问题负主要责任的人，他认为解决问题的可能性有多大呢？
“在真正得到答案之前，总是离解决问题很远，”霍金说。“但我们随时都可能找到它。我猜我们很快就会解决它。”
