20世纪70年代中期，斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)对黑洞做出了一系列令人不安的发现——黑洞可以蒸发，甚至爆炸，并摧毁所有关于黑洞下落的信息。物理学家们花了40年的时间整理残骸。去年在斯德哥尔摩的一次会议上，霍金说他和一些合作者已经接近解决所谓的黑洞信息悖论。然而，下载杏耀细节还有待观察。
现在细节在这里——至少是其中的一些。本周，霍金、剑桥大学(University of Cambridge)物理学家马尔科姆·j·佩里(Malcolm J. Perry)和哈佛大学(Harvard University)物理学家安德鲁·施特罗明格(Andrew Strominger)在网上发表了一篇论文，两位作者在文中宣称，他们在解决黑洞信息悖论方面取得了真正的进展。尽管这篇论文的标题很吸引人——《黑洞上的软毛》——但它的技术要求却很苛刻，所以我请斯特罗明格给我讲解一下。以下是经过编辑的谈话记录。
赛斯·弗莱彻:物理学家们对各种听起来很疯狂的想法都能欣然接受，但黑洞摧毁信息的想法却不在其中。为什么这是他们无法忍受的事情?
安德鲁·斯特罗明格:摧毁信息的黑洞意味着世界是不确定的。也就是说，现在并不能完美地预测未来，也不能用来重建过去。这就是物理定律的本质。追溯到伽利略或者更早的时候，物理定律的概念是你从处于某种运动和相互作用状态的物体开始，你用物理定律来决定它们将来会在哪里或者它们来自哪里。所以如果黑洞破坏了信息，那将是一件非常大的事情。这是一件非常重要的事情，我们不能使用物理定律的方式，我们已经习惯了几千年来描述我们周围的世界。
仅仅因为它是一件大事并不意味着它是不可能的。在某种程度上，物理学的历史就是我们认识到我们认为是正确的事情其实不是正确的历史。我们曾经认为空间和时间是绝对的。我们过去认为地球是宇宙的中心。所有这些事情似乎都是显而易见的。他们一个接一个地离开了路边。决定论也可能发生这种情况。宇宙有开端这一事实似乎与决定论相矛盾，因为如果你什么都没有，然后又有了什么，那就不是决定论。所以决定论应该被提出来。事实上，当霍金第一次提出他的论点(黑洞摧毁信息)时，这似乎是一个很好的论点，以至于许多甚至大多数听过的人都相信决定论已经结束了。
但有三件事改变了这一切。第一，你不能举手说我们不能描述宇宙。你需要某种替代方法——某种概率法则之类的。霍金和其他人提出了一些形式主义，使你能够有概率法则，等等，但很快就发现它在内部是不一致的。
第二，从实验上讲，决定论只有在你制造了一个大黑洞并让它坍缩时才会失效，这是不合理的，因为根据量子力学和测不准原理，你会让小黑洞在真空中进出。所以你必须处处违反决定论。在这方面的实验是非常了不起的。所以从实验上看，即使有一点点违反决定论的行为，也会产生非常严重的后果。
科幻:这些后果是什么?
为了说对称性意味着守恒定律，你需要决定论。否则[对称性]只意味着平均的守恒定律。所以电荷平均只守恒。或者能量只在平均值上守恒。在能量守恒上的实验界限是非凡的。如果你以某种形式把违反决定论的项加到物理定律中，它们的系数会小得惊人，是万亿分之一。
因此，黑洞信息悖论在实验上是一个问题，在理论上也是一个问题。这是头两件事。第三件事是弦理论。我想说，直到20世纪90年代，这个社区都是五五开的。但后来，Cumrun Vafa和我证明了某些弦理论的黑洞能够储存必要的信息，而且它们显然也有某种让信息进出的方法。我的意思是，人们花了25年的时间来重现贝肯斯坦-霍金区域的熵定律，换句话说，就是从第一原理推导出黑洞的信息含量。没有人能做到这一点。然后我们完全准确地做了。所有的数字，一切都很完美。它一定是某种线索。这不可能只是个意外。
现在，我们不知道弦理论是否描述了这个世界，我们也不会很快知道。但是，我认为，这给了很多人，包括霍金，希望在现实世界中会有某种机制类似于弦理论，使信息能够从黑洞中出来。
科幻:在你、斯蒂芬·霍金和马尔科姆·佩里本周在网上发表的一篇新论文中，你认为你已经采取了一些具体的步骤来解释信息是如何进出黑洞的。你的论证的第一步是用“关于量子引力的红外结构的新发现”来削弱霍金最初论证的一些基本假设。“你能给我们讲讲这些发现吗?”
AS:红外结构是指在最长波长处变化的物体的行为。我在过去的两年里发现了一些我认为是非常惊人的事实关于长波结构不仅是量子引力也是量子电动力学。很明显，(这些事实)对黑洞信息之谜有着深远的影响。他们暗示，在黑洞摧毁信息的论证中所假设的一些事情是明显错误的。这就是这一切的开始。
让我们来看看这两个假设。一个涉及到黑洞的最终蒸发状态，另一个是无毛定理。
AS:第一个与真空有关。能量最低的是真空。人们一直认为量子引力或量子电动力学中的真空是唯一的——只有一种零能态。我在过去几年里证明了这个假设是错误的。实际上有无限多种不同的真空状态。在某种程度上，我所展示的东西隐含在其他人所说的东西里。这一切都是从展示两种不同的工作体系的这种等价开始的这两种工作体系分别是20世纪60年代由Steve Weinberg和Bondi van der Burg, Metzner和Sachs完成的。
在我早期的论文中，我理解这否定了斯蒂芬(最初的黑洞信息丢失)的论证——它表明其中一个假设是错误的。但我还没有开始任何细节的探索，因为我必须把故事写得更好。现在发生的是，我们开始仔细研究当周围有一个黑洞时，这个故事是如何实现的。
斯蒂芬·霍金是这篇论文的作者之一，所以我认为他同意他的原始论点在这方面是有缺陷的。
是:对。我想这就是他兴奋的原因。人们对他的论点提出了各种各样的疯狂的批评，在我看来，他对所有这些都提出了正确的反对意见。但这一个，他听到了，他似乎马上就同意这是关键。事实上，正如你从斯德哥尔摩发生的事情中学到的，他比我更确信这是理解黑洞信息中缺失的一环。在我的职业生涯中，我曾多次对事情的结果感到惊讶，所以我没有做任何预测。但是我们现在有一个逻辑流，我们将会看到它的含义是什么。我相信还会有更多的惊喜。但这是解决这些问题的第一步。
科幻:论文的下一步似乎至关重要:你说无毛定理是没有根据的，事实上，黑洞有“柔软的毛发”。
是:对。在我早期的工作中，我说过，根据我发现的守恒定律，黑洞一定有毛发。但我真的不知道如何用方程来描述它。这就是我们在这里理解的:如何描述它以及如何计算。
在这篇新论文中，“软毛”指的是“软”光子和引力子。在这种情况下，“软”是什么意思?
AS:“软”的意思是没有多少能量，或者没有能量。这个用法可能从20世纪60年代就开始了。关键的微妙之处在于，如果你把真空，加上一个，带有能量E的光子，你会得到一个新的状态。它是一个能量为E的不同的量子态，它有不同的角动量，因为光子有自旋。但是现在假设你考虑一个能量为0的极限。然后向真空中加入一些没有能量的东西。所以它仍然是零能态，但是你改变了它的角动量。这是一个新的状态，还是相同的状态，还是什么?我们该怎么想呢?
你要做的第一件事是非常精确地说出两种状态不同的意思。我所做的，在某种程度上，我认为理论物理学家的世界是同意的，是我使所有这些都非常精确。我证明了它实际上是一种不同的状态，而不同的状态是由对称性联系在一起的。与这种对称性相关的是守恒定律。我认为人们普遍认为这些论文是正确的。
这就是软粒子。它是一个能量为零的粒子。当能量趋近于0时，因为能量与波长成正比，所以它也传播了无限大的距离。如果你愿意，它遍布整个宇宙。它以某种方式跑到边界。我们从中学到的是如果你向真空中加入一个零能量粒子，你会得到一个新的状态。所以有无限多的真空，它们可以被认为是彼此不同的通过添加软光子或软引力子。
我们在这篇论文中证明的是，这对黑洞来说也是成立的。这就是黑洞有毛发的意义:它们可以有不同数量的软光子或软引力子。
在论文中，你认为这些粒子，一起形成了柔软的毛发，通过一种叫做“叠加”的东西沉积在黑洞上。“你能解释一下这个过程吗?”
黑洞的视界有一个奇怪的特征，那就是它是一个球体，它以光速向外扩张。对于球面上的每一点，
杏耀平台总代 ，都有一条光线。它是由光线组成的。但它不会变得更大，这是由于重力和空间的曲率。顺便说一下，这就是为什么黑洞里面的东西都出不来，因为黑洞本身的边界已经在以光速运动了。
我们都知道黑洞的这种对称性你可以沿着所有光线沿时间均匀地前进或后退。但是还有另一种对称，这是本文的新内容(尽管其他地方已经讨论过各种形式的对称)。这是一种光线上下移动的对称性。看，单个的光线不能互相交谈——如果你骑在一条光线上，因果关系会阻止你和骑在相邻光线上的人交谈。所以这些光线并不是栓在一起的。你可以相对地上下滑动它们。这种滑动被称为超级平移。
在某种程度上，你似乎什么都没做。想象一束无限长的吸管，你可以上下移动其中一根。你到底有没有在做什么?我们所展示的是你正在做的事情。结果是加入一个软引力子有另一种描述作为一种超级平移在这种平移中，你将这些光线来回移动相对于其他光线。
这就是黑洞的超级平移。超平动理论是在20世纪60年代提出的，他们讨论的不是在黑洞视界处构成时空边界的光线，而是在无限远处构成时空边界的光线。故事从分析这些超级翻译开始。
科幻:所以由super植入的软光子和重子存储信息，因为它们是信息存储全息板上的“量子像素”。[编者注:快速入门的全息原理，观看这个视频。他们以什么方式储存信息?一个零能量的光子“在”视界上，并持有一个落入其中的粒子的信息，这意味着什么?
让我们回到平坦空间中的软光子或引力子。当一个粒子的能量趋近于零时，它的波长就会扩散到越来越大的区域。当它的能量为零时，你可以把它想成是生活在时空的边界上。黑洞的视界是三维的。球体周围有两个角向。然后是类时方向，它实际上是类光的因为视界是以光速运动的。这个类光的方向是有边界的。如果你走到这些光线的末端，就会有一个边界。这个边界就是全息图存在的地方。因此，当你把软光子或引力加入黑洞时，它们可以被认为生活在那个边界上。
我们证明当一个带电粒子进入黑洞时，它会向黑洞中加入一个软光子。所以它给黑洞增加了毛发。更一般地说，如果有任何粒子进入——因为所有粒子都有质量，而且都与引力有关——它们总是会增加一个软引力子。这是一种记录设备。这些软光子和引力子记录了关于黑洞的信息——比我们之前认为的这个机制记录的信息要多得多。现在是否所有的信息都是由这个机制记录下来的，我很确定答案是否定的，但是这个机制是概括的，这就更令人困惑了。
好的，下落的粒子在黑洞的视界上沉积了柔软的粒子，或者说毛发。那么在黑洞形成后的第一个无限小的瞬间呢?它的视界上有这些软粒子吗?有没有人从一开始就说过黑洞是怎么形成的?
让我先声明一下真空对黑洞的明显延伸。我可以对真空说得更清楚，更确定。如果你在真空中加入一个软光子，你会得到一个比旧状态多一个软光子的新状态。两个不同真空状态的光子的相对数量是一个定义明确的问题。但绝对数字不是。我可以说真空A比真空B多一个软光子，但我不能说哪个没有软光子。这是一种任意的约定。所以我并没有按照你提出的方式认真地回答这个问题，但是我猜这个问题没有任何意义“哪个是没有软光子的黑洞?”你可以说有的多一些，有的少一些。你可以说，为了让黑洞A拥有与b相同数量的软光子，你需要放入多少个粒子，但这里没有绝对的概念。
这就是微妙之处，对吧?三四年前，甚至现在，没有关注我论文的人可能会说，有软光子的真空和没有软光子的真空是一样的。这个东西扩散到无穷远，它没有任何意义。但是我们得到的一个教训是，在无限远处的空间时间的界限是非常重要的，要仔细跟踪，特别是当你想要研究像黑洞信息这样的东西时。
SF:所以信息是存储在表面上的。黑洞蒸发时会发生什么?
AS:我们讨论向黑洞中加入软光子。如果你比较两个黑洞，它们的区别仅仅在于加入了一个不改变能量的软光子，它们是不同的黑洞。然后让它们蒸发。它们应该蒸发成不同的东西。事实上，我们给出了一个精确的公式，这是我们论文的主要结果之一，关于有无软光子的黑洞的量子态差异。
SF:你在论文中写道，这些软毛的最小尺寸与普朗克长度和霍金-贝肯斯坦公式之间存在一种暗示关系，霍金-贝肯斯坦公式将黑洞的熵与其视界的面积联系起来。
40年前Jacob Bekenstein和Hawking推导出的区域熵定律做出了一个预测。如果我们具备了理解量子黑洞动力学的所有要素，它就能预测全息像素的数量。结果必须完全正确。除非我们把所有的细节都弄清楚，否则结果不会完全正确。
从一开始就困扰我们的一件事是:为什么它不允许无限数量的信息?我们不想要无限多的信息。最终，我们想要以某种方式利用它来恢复霍金-贝肯斯坦区域熵定律。看起来我们有无限多的头发因为你似乎可以有这些软光子它们有一个任意小的角度定位。但是没有物理方法可以激发其中一个。这些都不是黑洞的物理可实现状态。
那些小于普朗克长度的?
小于普朗克长度的。我不知道如何植入这样的头发。
值得注意的是，已经有很多人试图理解黑洞熵，它可以得到正确的面积，它可以得到正确的面积比例，但不能得到正确的四分之一(方程式中的项)。真正严峻的考验，我们还没有通过，就是得到四分之一。这就是弦理论所能做的，这就是为什么很多人都在思考这个问题。但是我们还没有得到1 / 4。
前方道路是否畅通?
AS:我在黑板上列出了35个问题，每一个都要花好几个月的时间。如果你是理论物理学家，这是一个很好的阶段，因为有些事情我们还不明白，但我们可以做一些计算，这些计算一定会让你明白。我简单地提到过这个，但是有比超旋更丰富，更大，同时也更神秘的东西比超旋更复杂，同时也比超旋更神秘的东西。
科幻:Superrotations ?
在无限远处，它们是另一种对称，你不只是上下移动光线，杏耀移动客户端而是相对移动它们。你交换它们。如果我们能理解它们，它们将变得更重要。但它们是一个更新的东西。超级翻译在20世纪60年代被人们所理解。超旋转是人们十年前才开始关注的东西。但是在过去的两年里我们学到了很多关于超转动的知识。
我也认为这和人们一直在做的关于纠缠熵的研究有很重要的联系。这需要纳入这一总框架。所以在这一点上有很多非常具体的事情要做。
