斯蒂芬霍金宇宙学核心的大悖论

摘自《时间的起源》。版权所有 © 2023 托马斯·赫托格。由企鹅兰登书屋的印记Bantam出版。

物理学家说，多元宇宙给我们带来了一个悖论。多元宇宙宇宙学建立在宇宙暴胀的基础上，宇宙在其早期阶段经历了短暂的快速膨胀。暴胀理论在一段时间内得到了大量的观测支持，但有一种不方便的趋势，即产生不是一个宇宙，而是产生很多宇宙。而且因为它没有说我们应该在哪一个 - 它缺乏这些信息 - 该理论失去了预测我们应该看到什么的能力。这是一个悖论。一方面，我们对早期宇宙的最佳理论表明我们生活在一个多元宇宙中。与此同时，多元宇宙破坏了这一理论的大部分预测能力。
事实上，这并不是斯蒂芬（霍金）第一次面对一个神秘的悖论。早在1977年，他就提出了一个与黑洞命运有关的类似难题。爱因斯坦的广义相对论预测，几乎所有关于任何落入黑洞的信息都永远隐藏在里面。但斯蒂芬发现量子理论为这个故事增加了一个矛盾的转折。他发现黑洞表面附近的量子过程导致黑洞辐射出轻微但稳定的粒子流，包括光粒子。这种辐射 - 现在被称为霍金辐射 - 太微弱而无法通过物理检测到，但即使它的存在本身也是有问题的。
原因是，如果黑洞辐射能量，那么它们必须收缩并最终消失。当黑洞辐射出最后一盎司的质量时，隐藏在里面的大量信息会发生什么？斯蒂芬的计算表明，这些信息将永远丢失。他认为，黑洞是终极垃圾桶。然而，这种情况与量子理论的基本原理相矛盾，该原理规定物理过程可以转换和扰乱信息，但永远不会不可逆转地抹去信息。我们再次遇到一个悖论：量子过程导致黑洞辐射并丢失信息，但量子理论认为这是不可能的。
与黑洞的生命周期和我们在多元宇宙中的位置有关的悖论成为过去几十年中最令人烦恼和最激烈争论的两个物理学难题。他们关注物理学中信息的性质和命运，从而触及了物理理论最终是什么问题的核心。这两个悖论都出现在所谓的半经典引力的背景下，半经典引力是斯蒂芬和他的剑桥帮派在1970年代中期开创的对引力的理论描述，基于经典和量子思维的融合。