Science 版 (精华区)

作  家: Smart (Cynic) on board 'Science'
题  目: <<NST>>II --- Stephen Hawking on quantum black holes
来  源: 哈尔滨紫丁香站
日  期: Mon Oct 20 13:01:05 1997
出  处: wangw@phy5.hit.edu.cn

                                The Nature of
                               Space and Time

    Two relativists present their distinctive views on the universe, its
                 evolution and the impact of quantum theory

                  by Stephen W. Hawking and Roger Penrose

II. Stephen Hawking on quantum black holes:

                  The quantum theory of black holes...seems to lead to a
                  new level of unpredictability in physics over and above
                  the usual uncertainty associated with quantum mechanics.
                  This is because black holes appear to have intrinsic
                  entropy and to lose information from our region of the
                  universe. I should say that these claims are
                  controversial: many people working on quantum gravity,
                  including almost all those who entered it from particle
                  physics, would instinctively reject the idea that
                  information about the quantum state of a system could be
                  lost. However, they have had very little success in
                  showing how information can get out of a black hole.
                  Eventually I believe they will be forced to accept my
                  suggestion that it is lost, just as they were forced to
                  agree that black holes radiate, which went against all
                  their preconceptions...

                  The fact that gravity is attractive means that it will
                  tend to draw the matter in the universe together to form
                  objects like stars and galaxies. These can support
                  themselves for a time against further contraction by
                  thermal pressure, in the case of stars, or by rotation
                  and internal motions, in the case of galaxies. However,
                  eventually the heat or the angular momentum will be
                  carried away and the object will begin to shrink. If the
                  mass is less than about one and a half times that of the
                  Sun, the contraction can be stopped by the degeneracy
                  pressure of electrons or neutrons. The object will settle
                  down to be a white dwarf or a neutron star, respectively.
                  However, if the mass is greater than this limit there is
                  nothing that can hold it up and stop it continuing to
                  contract. Once it has shrunk to a certain critical size
                  the gravitational field at its surface will be so strong
                  that the light cones will be bent inward.... You can see
                  that even the outgoing light rays are bent toward each
                  other and so are converging rather than diverging. This
                  means that there is a closed trapped surface....

                  Thus there must be a region of space-time from which it
                  is not possible to escape to infinity. This region is
                  said to be a black hole. Its boundary is called the event
                  horizon and is a null surface formed by the light rays
                  that just fail to get away to infinity.... Computer
                  animations help clarify some of there peculiar phenomena

                  [A] large amount of information is lost when a body
                  collapses to form a black hole. The collapsing body is
                  described by a very large number of parameters. There are
                  the types of matter and the multipole moments of the mass
                  distribution. Yet the black hole that forms is completely
                  independent of the type of matter and rapidly loses all
                  the multipole moments except the first two: the monopole
                  moment, which is the mass, and the dipole moment, which
                  is the angular momentum.

                  This loss of information didn't really matter in the
                  classical theory. One could say that all the information
                  about the collapsing body was still inside the black
                  hole. It would be very difficult for an observer outside
                  the black hole to determine what the collapsing body was
                  like. However, in the classical theory it was still
                  possible in principle. The observer would never actually
                  lose sight of the collapsing body. Instead it would
                  appear to slow down and get very dim as it approached the
                  event horizon. But the observer could still see what it
                  was made of and how the mass was distributed.

                  However, quantum theory changed all this. First, the
                  collapsing body would send out only a limited number of
                  photons before it crossed the event horizon. They would
                  be quite insufficient to carry all the information about
                  the collapsing body. This means that in quantum theory
                  there's no way an outside observer can measure the state
                  of the collapsed body. One might not think that this
                  mattered too much, because the information would still be
                  inside the black hole even if one couldn't measure it
                  from the outside. But this is where the second effect of
                  quantum theory on black holes comes in....

                  [Quantum] theory will cause black holes to radiate and
                  lose mass. It seems that they will eventually disappear
                  completely, taking with them the information inside them.
                  I will give arguments that this information really is
                  lost and doesn't come back in some form. As I will show,
                  this loss of information would introduce a new level of
                  uncertainty into physics over and above the usual
                  uncertainty associated with quantum theory.
                  Unfortunately, unlike Heisenberg's uncertainty principle,
                  this extra level will be rather difficult to confirm
                  experimentally in the case of black holes.


--
※ 来源:·哈尔滨紫丁香站 bbs1.hit.edu.cn·[FROM: wangw@phy5.hit.edu.c]