科學家提出一個新穎的實驗構想，在實驗桌上打造出黑洞，來測試黑洞蒸發是否會導致信息遺失。
霍金（Stephen Hawking）教授在 1974 年結合廣義相對論與量子場論，發現黑洞蒸發效應（圖一左）。物理學界對於黑洞蒸發是否會導致信息遺失，持續進行了正反兩面的爭論，幾乎所有當代最有影響力的理論物理學家都加入了這埸「黑洞戰爭」。
信息遺失問題之所以重要，是因為它觸及了量子力學的一個基本出發點，那就是在任何一個物理的過程中，它的機率必須守恆。而黑洞霍金蒸發卻似乎破壞了這條基本戒律，它暗示相對論與量子力學，這廿世紀的兩大物理革命以及所有近代物理的基礎，或許不能相容。
吵了 40 年，就等人找到方法來實驗
雖然這個議題如此重要，可是四十年來它的研究僅止於理論的爭辯而極少實驗進展。這主要是因為黑洞信息遺失問題的關鍵點是在黑洞蒸發的晚期、當它快要燒完的時候，而宇宙中絕大多數的黑洞都比太陽的質量還大。根據理論，這種黑洞要完全蒸發，需要 1067 年之久，而宇宙從大霹靂到現在，才不過 138 億（1.38×1010）年。相對於黑洞的壽命，它們都還在嬰兒期。所以即使能觀測到（例如 2016 年 LIGO 發現釋放重力波的黑洞），也仍無法用來驗證信息遺失問題。
用超強雷射和奈米技術做一個黑洞
今（2017）年 1 月 23 日，國際重量級物理學術期刊《物理論壇通訊》（Physical Review Letters) 發表了臺大物理系及天文物理所教授兼「梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心」主任陳丕燊與法國綜合理工大學（Ecole Polytechnique）教授兼「國際超強雷射科技中心」（IZEST）主任 Gerard Mourou 共同撰寫的論文。兩位作者在文章中提出一個新穎的實驗構想，利用日新月異的超強雷射及奈米技術打造「類比黑洞」（圖一右），來模擬黑洞蒸發的晚期。
根據愛因斯坦的「等價原理」，加速的反射鏡和黑洞在某些物理機制上很相似。譬如說，兩者都有「事件視平線」（event horizon），當真空量子波動撞上黑洞或鏡面時，兩者都會射出霍金粒子、並且把真空波動裡霍金粒子的對偶模式（partner mode）困在視平線上（圖一），直到黑洞完全蒸發或加速鏡面突然停止、視平線突然消失時，這些真空對偶模式才能終於被大量釋放出來。
這個實驗的目的，就是要了解信息如何透過真空波動中，霍金粒子和他們的對偶模式之間的「量子糾纏」而保存下來。
當超強雷射穿越電漿時，在相互作用下，會使得電漿中的自由電子被推到雷射的後方，堆積成一面極高密度的電漿反射鏡，並且尾隨雷射同步前進（圖二）。作者們指出，運用奈米技術，可以製造出密度逐漸加大的薄膜靶。超強雷射打進薄膜後，會瞬間把薄膜融成電漿並產生反射鏡。而當雷射及電漿反射鏡逐漸進入薄膜中密度較大的「深水區」時，它們將會逐漸加速。當雷射結束薄膜穿越時，電漿反射鏡也隨之而突然停止，這正像黑洞蒸發到最後完全消失一樣。因此原則上這個系統可以模擬黑洞蒸發的末期，提供關於信息遺失悖論極珍貴的實證基礎。
難得的是，這篇論文〈以加速電漿反射鏡研究黑洞信息遺失悖論〉（Accelerating Plasma Mirrors to Investigate Black Hole Information Loss Paradox）被《物理論壇通訊》選為編輯推薦（Editors’ Suggestion，類似「店長推薦」）。
陳丕燊教授等不及論文正式發表，已經組織了一個國際團隊，要把這個實驗儘快做出來。團隊成員除了臺大梁次震中心，還有法國綜合理工大學的「國際超強雷射科技中心」（IZEST）、日本國立量子科技中心（QST）之「關西光子研究所」（KPRI）、及上海交通大學。
（本文改寫自台灣大學新聞稿）
原始論文：
- Accelerating Plasma Mirrors to Investigate Black Hole Information Loss Paradox, Phys. Rev. Lett. 118, 045001 (2017)
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狐禪
