黑洞

    黑洞是宇宙中最強大的東西,強大到能把整顆恆星撕碎成如原子一般的碎塊。這聽起來似乎夠可怕了,但它們還有更強大、更深沉的特性:它們可能會吞噬宇宙本身。當有質量的物質被壓縮到極小的空間時,黑洞就會出現。黑洞中心有一個奇點,它的引力幾乎是無限強大的,所以無論是什麼東西,只要太靠近它,都會被撕成基本粒子,就連光也逃不出黑洞,所以在我們看來它們是顆黑暗的球體。

    黑洞的外邊界,稱爲事件視界。所以究竟事件視界正在發生什麼事,我們倒是有一些想法。黑洞會以輻射的型態釋放它的質量,就像放在爐子上的火鍋,以蒸發水的方式散發熱能。這個輻射就叫霍金輻射。黑洞不斷地失去其極小部分的質量,而這個過程是非常緩慢的。如果有個跟太陽一樣質量的黑洞,大概需要經過10^58年就可以散去0.0000001%的質量。這個過程會一直不間斷的持續下去,而且速度將會越來越快。在很遠很遠的將來,當宇宙中的最後一顆星星已經死了萬億年之後。黑洞將變得越來越小,直到它們蒸發、消失,只留下一點點的輻射能。不過這會是個問題,因為在黑洞消失的過程中,可能會刪除一些宇宙的基礎:信息。

    什麼是信息?信息是無形的存在,而它通常被理解為"粒子排列的特性",這是什麼意思呢?想像有一束碳原子,以某種方式排列它們,你會得到煤;以另外一種方式排列它們,你則會得到鑽石。這些原子的本質都一樣,改變的東西是信息。如果我們把這弄得更複雜,並加入更多種類的原子,那我們會得到一個香蕉,改變原子的排序,那我們得到一隻松鼠,構成這個宇宙所有東西的基本建構物質都是一樣的,不管是鳥、石頭、還是一杯咖啡,都一樣。如果沒有信息,宇宙中的一切將會毫無分別。而根據量子力學理論,信息是無法被摧毀的,它可能會改變形狀。但它永遠不會消失。比如說,如果你燒掉一張紙,你會得到灰,基本上那些灰不會再變回紙了,但如果你能仔細地收集那些灰裡的每一個碳原子,並準確測出從火中散發的煙霧和熱能的性質,理論上你能把紙重建的。那張紙的信息一直都存在於宇宙之中,它並沒有消失,它只是變的很難"讀取"。如果你能以某種方式去測量宇宙中的每一顆原子、粒子和輻射波,你就能看見並追蹤每一個信息。理論上你能看見宇宙的整體歷史,從現在一直回溯至宇宙大霹靂。而在大霹靂這個點,黑洞將會成為我們無法再往前回溯的原因。信息能告訴我們,事物如何開始有了區別、而這事物的前身又是什麼。黑洞卻反其道而行:它們讓不同的事物變成一樣的東西。它們破壞信息。這就造成了信息悖論,而這是個很嚴重的問題。

~~信息悖論~~
    我們目前所有的物理學定律都建立在一個基礎上:信息不會消失。如果沒有信息,則一切都是相對的。 如果我們想要理解現實,那就需要絕對性的定義。我們如何解決這個悖論?有幾種可能性:
一)信息不見了
    而是無可返回的不見,這表示,我們要否決掉所有的物理學定律,然後丟掉一堆至今運做的很不錯的理論,從頭開始做起。新的物理學定律會長什麼樣子?對我們這意味著什麼?沒人知道。這聽起來好像有點可怕,不過好像也讓人有點興奮。
二)信息被隱藏
    也許黑洞的一小部分分裂了出來,形成一個嬰兒宇宙。信息將被轉移到這個又新又奇怪的地方,不過我們既沒辦法觀測,也沒辦法與之交流。嚴格來說,信息沒有不見。這就好像你有一個你永遠沒辦法讀取,而且裡面存著你跟你家人照片的壞掉硬碟,沒被刪掉聽起來已經是很好啦,可是根本就不能用。也有可能,黑洞在生命周期結束後並不會完全地消失,它可能會留下一小塊鑽石信息,就像一輛塞滿著無限小丑信息的小丑車一樣。
三)信息很安全,沒有不見也沒有刪掉
    搞不好我們看待這整件事的方法都錯了,我們知道黑洞會困住信息,然後可能隨後就刪掉了。不過,我們沒想到黑洞在此同時可能還會做什麼。黑洞把自己的信息儲存在哪裡呢?

~~宇宙收納~~
    讓我們用髒衣服創造一個黑洞吧。首先,我們用裝了髒衣服的洗衣籃塞滿房間。你想儲藏的髒衣服越多,房間裡的洗衣籃就越多,到了某個時刻每個洗衣籃都滿了,房間也被堆滿了,連一個襪子都沒辦法再塞進去,這個房間目前處於全滿狀態。不過如果我們用很多能量硬塞一支襪子進去,就會導致這個房間崩塌成一個黑洞。但是房間本身的容量並沒有改變,要放入更多東西或是信息還是不可能的,所以如果我們再丟更多髒衣服進去會怎麼樣呢?房間本身會自己變的大一點,為了新進的訊息而騰出空間。原來黑洞每吸進一點信息,它的表面就會成長一點點。簡而言之,信息越多,表面積也就越大。信息被呈現在表面上。就如同我們丟一塊石頭到池塘裡會發生的事一樣,石頭沉到底部之後,我們就看不到它,不過我們可以從池塘表面的漣漪知道有東西掉進去了。即使是最小的黑洞,其表面所儲存的信息也比人類歷史上產生的所有數據還多。他們靠把信息儲存在一個小到令人難以置信的像素上來達到這點。黑洞,是一個究極的硬碟,這有點像是把一本平裝書轉成電子書,這兩個東西看似完全不同。不過它們的內容物是相同的,只是用了另一種編碼和記憶的方式。黑洞吞噬了恆星、行星,這有點像是把整個圖書館裡的書都轉成電子檔。這被叫做全像原理,不過如果這是對的,那我們所有對於宇宙的認知就是錯的。

宇宙是個全像投影圖,如果信息真的是被儲存在黑洞邊界,那霍金輻射便有可能記住並帶走編碼在那裡的信息,所以就算黑洞完全消逝了,資訊也不會消失。不過我們還是要從根本上改變對現實的認識,如果落入黑洞的一切都被儲存在它的事件視界,這基本上意謂著三維的事物是在一個平面上進行編碼的。我們幫這取了個名字:全像圖。全像圖就像一個3D照片,編碼著三維圖像在其中的扁平塑膠片;黑洞就像一個全像圖,因為它裡面的一切是編碼在事件視界上。在黑洞裡的人會感覺自己活在平常的三維空間中。不過我們在外面看黑洞時,它只不過是表面上的扁平圖片。這結果聽起來很違反直覺,不過請等我一下,黑洞是個極端的物件,不過它們仍然遵守與其他事物相同的規則。如果二維和三維之間的這種二元性適用於黑洞,那麼它也可能同樣運作於整個宇宙,而你在其中。由於黑洞內部的人不會意識到他們被編碼在一個扁平表面上,所以我們可能共享相同的命運,而你會被拉伸在宇宙盡頭的平台上。

    在這背後的科學極其複雜、也相當奇異。需要用弦理論和大量的數學。無論宇宙真正的樣貌是什麼,我們只知道它是奇怪而複雜的,所以我們必須多加鑽研物理來瞭解它。

參考資料

  1. Why Black Holes Could Delete The Universe – The Information Paradox
  2. 人類被耍了!宇宙是意識投影出來的世界?
  3. 黑洞 - 維基百科,自由的百科全書