找回在黑洞中丢失的信息的简单方法

黑洞充满了谜题。比如，如果你把一本书扔进其中一个引力井里会发生什么？广义相对论（支配宇宙中真正大物体的物理定律）预测这本书将永远消失。但量子力学（支配真正小物体的定律）说这是不可能的——能量、物质和信息既不能被创造也不能被毁灭。它们可以转化，但总量必须保持不变。

为了解决这一悖论，一组物理学家想出了一种方法，理论上可以从黑洞中恢复信息。但有一个问题：这个实验每次只能处理一个量子信息（或量子比特）。这并不是很多信息。

虽然这项研究还没有经过同行评审，但它已经发布在arXiv上，以便研究人员在将其提交给期刊之前收集同事的反馈。这也不是科学家们可能会尝试的那种实验——它只是一个有趣的思想实验。“从本质上讲，我们的协议相当于一个传送方案，”他们写道。

它的工作原理如下。

“从本质上来说，我们的协议相当于一种远距传送方案。”

假设爱丽丝只是在黑洞附近闲逛，测量其特性，突然——哎呀！——她将一个电子扔进了黑洞。那个电子原本以特定的方向旋转——比如向上或向下——爱丽丝想找出哪个方向。那个信息，即它的自旋状态，是否永远消失了？加州理工学院的研究生艾丹·查特温-戴维斯说，不会。根据他的团队的论文，爱丽丝需要收集一些霍金辐射才能找出电子的自旋状态。

霍金辐射是一种热辐射，科学家认为它可能会从黑洞中泄漏出来。虽然没有任何东西可以逃脱黑洞，但这并不能阻止黑洞发射辐射。物理学理论表明，如果你停止给黑洞提供能量，它最终会收缩并消失，因为它会通过这种辐射失去质量。斯蒂芬·霍金最初假设这种辐射不包含任何信息——只有热量——但包括霍金本人在内的大多数科学家不再这么认为。

“普遍的观点是，霍金辐射并非完全是热辐射，”查特温-戴维斯说。它可能包含一些信息，“所以如果你检查它，你就能重建你扔进黑洞的任何东西。”

黑洞不断产生霍金辐射。但有趣的是，根据理论，对于每个离开黑洞的霍金粒子，都会有另一个版本的粒子落入黑洞。这两个粒子存在于黑洞事件视界或边界的不同侧面。它们在物理上是分开的，但它们的性质是相互联系或纠缠的。无论它们相距多远，它们的性质总是相反的。因此，例如，如果外部的霍金粒子旋转向上，则内部的粒子将旋转向下，反之亦然。

虽然没有任何东西可以逃离黑洞，但这并不能阻止黑洞发射辐射。

这意味着，当爱丽丝在黑洞外部收集一个霍金粒子时，它可以告诉她一些有关黑洞内部其伙伴的信息。

于是她收集到了一个霍金粒子。她还再次测量了黑洞。她可以测量它的电荷、质量和自旋，当电子和霍金辐射粒子落入黑洞时，这些都会发生轻微的变化。

通过找出黑洞的原始状态和当前状态之间的差异，爱丽丝可以知道这两个粒子对黑洞的改变有多大。然后她可以测量出来的霍金粒子的自旋状态（记住，这与被黑洞吞噬的霍金粒子有关）。通过减去霍金粒子的自旋，她可以准确地知道她扔进去的电子的自旋状态——无需直接测量。

瞧！宇宙中的所有信息都保存了下来。这并不难，对吧？

这并不是科学家提出的第一个从黑洞提取信息的技术，当然也不会是最后一种。

这种特殊的方法每次只能测量一个量子信息位，例如一个粒子的自旋或极化。如果爱丽丝同时放入两个或三个粒子，或试图同时测量多个属性，这种方法就行不通了。但她可以先测量一个，然后再测量另一个。

如果黑洞有防火墙（理论上的墙，会烧毁进入黑洞的所有物质），那么这个想法也不成立。如果防火墙存在，霍金辐射粒子就不可能携带太多有用信息。

至于弄清楚如果你自己掉进黑洞会发生什么，查特温-戴维斯说，这个协议并没有真正帮助你。幸运的是，我们已经为你做好了准备。查看我们的文章“黑洞是如何运作的：死亡”。