[物理史] 霍金 (Stephen Hawking) 承認賭黑洞資訊會遺失是錯誤的

霍金 (Stephen Hawking) 承認賭黑洞資訊會遺失是錯誤的
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2013年7月）

1684年，雷恩（Christopher Wren，英國著名的天文學家及建築師，皇家學會的創始人之一，並曾任會長。）宣佈了一個所謂的賭注：他承諾送一本價值40先令的書，給最先證明克卜勒定律可以從平方反比律推導出來的人。3年後，牛頓的《自然哲學之數學原理》出版了，書中牛頓對此挑戰提出回應，但卻太遲了^﹝1﹞，以致無法獲得賭金。雖然如此，這可是最早有紀錄的科學賭注之一，直到現在，物理學家似乎仍對打賭特別感興趣。

舉例來說，費曼 (Richard Feymann) 於1959年打賭說，要建造一個小於1/64吋的引擎是不可能的。他當時希望可以提供誘因，給有事業心的科學家，發明新的製作技術。然而，一位名叫麥克雷蘭 (Bill McLellan) 的工程師，使用既有的業餘無線電技術與零件，製成了那麼小的引擎。費曼大可拒絕付賭金給此技術 ─他並未真的正式下賭注─ 但他還是依承諾付給麥克雷蘭1,000美元，雖然他表達了對於他的目的未能達成感到失望。

現今名氣最大的物理學家之一是劍橋大學的霍金 (Stephen Hawking)，他寫過很多書，其中《時間簡史》 (A Brief History of Time) 榮登最暢銷排行榜。1993年，他在《星際爭霸戰》 (Star Trek) 其中一集《銀河飛龍》 (The Next generation) 中客串演出。在此影集中，海軍少校達塔 (Lieutenant Commander Data) 和霍金、牛頓以及愛因斯坦的全息影像玩梭哈遊戲。霍金「贏得」那場虛構的比賽，但在真實世界中，他在賭盤中卻沒表現那麼好。

霍金多年來做過幾次備受矚目的科學賭注。1975年，他跟加州理工學院的物理學家索恩 (Kip Thorne) 打賭說，黑洞 ─當時仍是假設性的物體─ 不存在。那次的賭金相當少：假如霍金贏的話，他可以獲訂4年的暢銷《私家偵探》雜誌
(Private Eye)；假如索恩對的話，黑洞的確存在，那麼他可獲訂1年的《閣樓》雜誌 (Penthouse)。因為黑洞存在的證據越來越多，霍金被迫認輸，也信守承諾地訂閱雜誌給索恩。但因為霍金做很多研究都基於對黑洞存在的假設，所以在科學上他成了贏家。

1991年9月24日，霍金第二次打賭。他和索恩、以及其加州理工學院的物理同僚普雷斯基爾 (John Preskill) 關心裸奇點有否可能存在於黑洞外，因此可以觀測到。普雷斯基爾和索恩都認為可以觀測到，而霍金則持反對意見。大約6年後，霍金認輸，儘管只輸在技術細節方面；他認為裸奇點有可能在所謂的「廣義的情況」下形成。

普雷斯基爾（右）宣佈賭贏霍金

大約同時，他們三人同意再睹一次，而這一次集中於黑洞的事件視界^﹝2﹞內部的資訊是否會無法挽回地遺失，或是否可能由黑洞蒸發所放射出的輻射恢復資訊；還是如正式的打賭措詞：「當初始的量子純態經歷重力塌縮而形成了黑洞，那麼黑洞蒸發結束的最後狀態應該回復量子純態。」

這一次，霍金和索恩支持資訊會遭破壞的觀點，他們認為黑洞的輻射是一種量子混合態，因此當它最後完全蒸發時，有關內部的資訊會遺失。正如霍金所說：「上帝不僅擲骰子，祂有時還會擲到看不見的地方，混淆我們。」普雷斯基爾則賭說，資訊原則上是會恢復，所以當物理學家最後設計出量子重力理論時，我們會明白這背後發生的機制。

的確，普雷斯基爾回憶說，特胡夫特 (Gerard’t Hooft)、色斯凱 (Leonard Susskind)、馬爾達西那 (Juan Maldacena) 和其他幾位弦論理論學家其後的研究都顯示「黑洞資訊都極精巧地編碼在黑洞時空中」。尤其，他們引進全像宇宙的概念，所以我們所在的宇宙的任一三維空間都可以編碼在二維邊界的資訊來說明。

那些論證很明顯地動搖了霍金的態度，2004年7月21日，他在愛爾蘭都柏林的會議上演講，當場宣布他要認輸。霍金演講做結論後，他送給普雷斯基爾第八版的《棒球全集：棒球百科全書》(Total Baseball: the Ultimate Baseball Encyclopedia)，「可以隨心所欲地從書中擷取所要的資訊」。

然而，索恩頑拒認輸，而也許他做對了。2012年，又產生了令人困惑的新見解，即假設資訊確實不會消失，那就得犧牲另一個廣義相對論喜愛的假設，是有關掉進黑洞的觀察者，到底發生了什麼事。根據廣義相對論，這位掉進黑洞的觀察者在穿越事件視界時並未經歷不尋常的變化，而火牆論者則主張他應該要被附著於事件視界的火牆所焚毀。黑洞火牆的說法一直有爭議且懸而未決，但普雷斯基爾是其中一個願意考慮他也許終究是錯的。

就在最近，霍金和密西根大學的坎恩 (Gordon Kane) 打賭大型強子對撞機不會發現希格斯玻色子，輸了100美元。歐洲核物理研究中心的物理學家於2012年7月宣佈了一個「類希格斯粒子」的證據。雖然霍金承認此發現對物理的重要性，但他還是對英國廣播公司新聞頻道 (BBC News) 坦白說：「這有些令人遺憾，因為物理的重大進展一向都由我們未預料到的實驗結果得來！」

如此觀之，當論及科學的對賭，霍金一路的紀錄並不光采。正如普雷斯基爾於2013年4月對霍金的讚美中所諷刺的：「雖然霍金毫無疑問地是一位偉大的科學家，但他卻是一位很差勁的賭徒，真是可悲啊！」

註1：雷恩的賭注有效期只有2個月

註2：event horizon，一種時空的曲隔界線，視界中的任何事件皆無法對視界外的觀察者產生影響，在黑洞周圍的即是事件視界。

進一步閱讀：

• Almheiri, Ahmed; Marolf, Donald; Polchinski, Joseph; and Sully, James. (2012) “Black Holes: Complementarity or Firewalls?” http://arxiv.org
• Hawking, Stephen. (1976) “Breakdown of predictability in gravitational collapse,” Physical Review D 14: 2460-2473.
• Hawking, Stephen. (2005) “Information loss in black holes,” Physical Review D 72(8): 4.

原文刊載於物理雙月刊2016年8月號38卷第4期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。