黑洞信息丢失之谜解决方案 _黑洞

中科院武汉物数所博士研究生张保成、蔡庆宇副研究员、访问教授尤力博士以及詹明生研究员合作的一篇题为“发现霍金辐射中的隐藏信使：黑洞信息丢失之迷解决方案”已被国际高能物理学著名学术期刊《物理快报B》（PHYSICAL LETTERS B）接受发表(doi:10.1016/j.physletb.2009.03.082) 。

“黑洞信息丢失”问题是上世纪70年代霍金在解决黑洞热力学第二定律时引入量子概念而导致的，几十年来一直是困绕理论物理学家、高能物理学家的不解之迷。这个问题的本质在于，对黑洞而言，不论初态是什么，都将确定地演化为热态。热态意味着辐射之间不存在关联，而且整个辐射过程中伴随着熵增，这与量子力学的幺正性冲突，从而揭示了量子力学与引力理论(广义相对论)之间潜在的冲突。因此，“黑洞信息丢失之迷”是研究量子引力理论必须解决的问题。

该论文在黑洞辐射作为隧穿的图像下，利用统计力学和量子信息的基本理论，证明了黑洞隧穿辐射过程是一个幺正过程。对于黑洞隧穿谱，在以前的研究工作中，物理学家认为辐射之间不存在关联。该文章首先使用标准的统计力学方法证明了辐射之间存在关联，并且成功地应用量子信息中互信息量理论，证明辐射之间的关联可以携带信息。该文证明，黑洞辐射整个过程中熵严格守恒。这样一来，黑洞辐射过程中信息就不会丢失，幺正性被维持，从而解开了黑洞信息丢失之迷。该理论不仅适用于静态的黑洞，也适用于稳态的黑洞，甚至于非对易的黑洞等其他类型的黑洞。它给出了一个连续隧穿背景下普适的解决黑洞信息丢失问题的方法，从而暗示了引力场量子化的可能性。

在此之前，该所博士生张保成和蔡庆宇副研究员、詹明生研究员还合作证明了量子引力效应存在下，黑洞隧穿动力学和热力学的一致性（Phys. Lett. B 665, 260）；解决了正则变换不变下，半经典黑洞辐射的温度问题（Phys. Lett. B 671, 310）。这些工作成功地将量子力学的一些概念和黑洞结合在一起，创造性的解决了一些传统的物理问题，是武汉物数所多学科交叉研究的又一成功例证。这些研究不仅将该所传统的原子分子研究延伸到量子信息与广义相对论的多学科交叉领域，亦为该所即将开展的冷原子干涉仪探测引力波等相关引力大型实验提供了理论基础。
【黑洞信息丢失之谜解决方案】
来源：中科院武汉物理与数学研究所