文化
霍金的賭注
發佈時間2018.03.14 12:50 臺北時間
更新時間2023.09.12 20:26 臺北時間
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- 文｜高賢忠（師範大學物理學系教授）
2004年7月底，我到都柏林參加了第17屆「廣義相對論與重力國際研討會」（GR17）。原本這是個純學術會議，卻因為一位科學界的超級巨星蒞臨演講，而成了國際重要媒體通通到齊、閃光燈此起彼落的熱鬧場合。
這位超級巨星就是本書的作者史蒂芬‧霍金（Stephen Hawking），他稱得上是當今知名度最高的科學家。即使沒讀過《時間簡史》（A Brief History of Time）的人，也多少耳聞過這位全身癱瘓坐在輪椅上、靠著電腦和語音合成器講話的物理學家。他的貢獻主要是明確建立黑洞和熱力學的關聯。他指出，黑洞不會永遠存在，而是會發出黑體輻射（霍金輻射）並逐漸「蒸發」掉。這是他30年前提出的理論。
黑洞具有一個奇特的性質，它的邊界是所謂的事件視界（event horizon），根據古典的重力理論（廣義相對論），任何物體只要進到事件視界以內，就再也無法逃脫，從此和事件視界外的世界失去聯繫。
問題是，黑洞如果會慢慢蒸發終至消失，那麼之前跑進它的事件視界內，而被它吞沒的「訊息」（Information）（註）最後跑到哪兒去了呢？
訊息指的是我們對物理系統瞭解、掌握的程度，在古典力學中如果我們在某一個時刻精確的知道某一個粒子的位置和速度，那麼我們就可以預測隨後任一時刻質點會如何運動，在這種情形下，我們可以說我們百分之百掌握了這個粒子的訊息。假如當你在追蹤這個粒子時，突然這個粒子像使了分身術一樣，變成了兩個一模一樣的粒子，而且各自走不同的路徑，那麼這時候我們對這個粒子所掌握的訊息就變成原來的一半。
為了簡單起見，我在上面所談的是古典系統中的訊息，類似的概念也可以推廣到量子系統，不過在量子世界中，由於測不準原理的關係，我們無法同時確知粒子的位置和速度，因此軌跡的概念不再適用，而必須改用量子態來描述粒子所處的狀態。
從重力學的觀點而言，霍金輻射是純然的黑體輻射，因此它是一個混合態，而在黑洞完全蒸發後，空間中應該只剩下這些黑體輻射，所以物體原有的訊息也就完全消失不見了。因此，研究重力的學者（包括霍金）比較傾向於相信，在黑洞中的確會有訊息遺失的現象。霍金在1992年還說：「這些訊息可能跑到另一個宇宙去了。」
這個論點激發了科幻小說家更多的想像，但是研究粒子物理、場論及弦論方面的學者，卻抱持著懷疑的態度。他們認為，以量子力學的觀點來看，如果物理系統一開始是處於純態，則之後不管它如何演化，系統必然還是處於純態，因此不會有訊息遺失的問題。他們所持的理由是，量子力學創建至今經歷過無數的實驗檢驗，到目前為止還沒有發現和實驗不符的地方，沒有道理量子力學在牽涉到重力的時候就不對了。
「黑洞會不會造成訊息流失」這個問題自此在學界爭辯多年。1997年，霍金甚至夥同加州理工學院的Kip Thorne，和研究量子力學的John Preskill打起賭來。3人說好，賭贏的就可以任意選一本百科全書當獎品。
令人驚訝的是，在今年的GR17會場中，霍金卻主動豎起白旗。他在會場中用合成語音緩緩宣告，他已經解決了困擾他三十年的問題，但是結論和他先前主張的相反。現在他發現，黑洞中並不存在訊息遺失的問題，因此不需要有其他宇宙來儲存那些他原本以為會遺失的訊息。他還特別跟科幻小說迷說抱歉：「如果訊息被保存下來的話，就不可能利用黑洞到另一個宇宙旅行。」
霍金演講後，當場送了一本棒球百科給Preskill表示認輸，還打趣說，他在英國買不到棒球百科，本來想改送板球百科，可是他無法說服Preskill「板球的優越性」，只好趕快叫找人空運一本棒球百科到都柏林。他說，由於和他原先立場相同的Kip Thorne還沒認輸，所以他先幫他墊了百科全書的錢。
霍金一生充滿傳奇，而我在GR17目睹的場面，也是戲劇性十足，勢將成為往後物理學家茶餘飯後津津樂道的小插曲。不過這絕對不是辯論的終點，霍金的演講並無法說服在場的每位學者，包括賭贏了的Preskill。雖然Preskill當場接過禮物，高高興興把書舉高做勝利狀，但是他事後表示，他必須看過霍金的新論文，才能瞭解為什麼霍金會放棄他堅持了30年的論點。Preskill甚至說，就某方面來說他有點傷心：「如果我們現在真的站在同一邊了，那麼我們以後的討論就沒那麼好玩了。當然，我們會總會找到事情吵的，只是恐怕再也無法像這個問題那麼深刻而令人著迷了。」
的確，這個問題茲事體大，因為如果霍金原先的論點是對的，那麼現代物理學的重要支柱─量子力學─就是錯的，需要根本的修正。
其實，像霍金這樣推翻自己論點的例子，在科學研究來說並不足為奇，畢竟所謂的科學精神，就是追求真理，而真理就是要透過不斷的辯論和質疑，才會愈辯愈明──無論是和別人辯論，還是對自己質疑。而這其中的辯論過程，正是科學研究迷人之處。