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霍金最后一篇论文《黑洞与软毛发》被合作者完成

2018-10-11 22:46:18    来源:澎湃新闻    责任编辑:刘杰

  《黑洞与软毛发》,这将成为最后一篇署有已故英国物理学家史蒂芬·霍金之名的论文。剑桥大学物理学家马尔科姆·佩里(Malcolm Perry)和哈佛大学教授安德鲁·斯特鲁明格(Andrew Strominger)近日完成了这项与霍金合作的研究。预印本网站ArXiv显示,论文的最后修改时间为10月9日,这距离霍金逝世已过去了一年半。

  所谓黑洞的“软毛发”,指的是黑洞视界边缘的零能量光子。它们可能储存了黑洞的熵值。霍金等人研究黑洞的“软毛发”,为的是解决一个悬疑半世纪的悖论:物质掉进黑洞后,信息去哪了呢?

  佩里告诉英国《卫报》,霍金纠结黑洞信息悖论起码纠结了40多年。就在霍金逝世前几天,佩里还在哈佛与斯特鲁明格一起工作。那时他不知道霍金已近油尽灯枯,致电前去告知最新进展。事后想来,那可能是霍金生前最后一次学术交流。

  “史蒂芬交流很困难,我开着扬声解释最新的进展。他只给了一个大大的微笑。我告诉他我们取得了一定成果。他知道最终结果了。”佩里回忆道。

  根据爱因斯坦引力场方程的计算,如果大量物质集中于空间一点,奇点周围会形成时空扭曲的“视界”,一旦进入这个界面,连光子也无法逃逸,故而称为“黑洞”。

  960年代,物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)基于爱因斯坦模型提出,黑洞是“无毛”的。具体来说,黑洞只会有三个性质:质量、电荷和自旋。除此之外,所有的黑洞都一模一样,特质被剥夺殆尽。

  1975年,霍金提出了此生最重要的理论——黑洞蒸发理论,即通常所说的“霍金辐射”。如果将量子理论也计算进去,霍金发现黑洞并不是完全“黑”:它会向视界外辐射光子和少量带质量粒子,黑洞的质量随之逐渐变小,蒸发速度越来越快,最终消亡。

  然而,量子力学的一个基本规则就是信息永不消失。如果一个物体被黑洞吞噬,当黑洞本身最后都消失了,物体包含的信息去了哪里呢?

  正如霍金和加州理工学院教授普雷斯吉尔(John Preskill)打的一个赌,这就像是把一本百科全书扔进火里焚烧殆尽。要解决黑洞信息悖论,等于是要找到某些烟和灰烬,来还原百科全书上的文字。

  《黑洞与软毛发》提出了一个假说:黑洞的“软毛发”就是这些烟和灰烬,起码保存了部分信息。事实上,霍金和佩里、斯特鲁明格从2015年就开始怀疑黑洞“无毛”的基本性质就是错的,并在2016年发表了关于黑洞“软毛发”的第一篇论文。这些“软毛发”是黑洞视界上的零能量光子。

  霍金辐射表述为黑洞熵公式。霍金生前即指定这个公式作为墓志铭,如今伴他长眠于西敏寺。熵是一种描述混乱度的物理量,随着温度升高而增加。当物体被黑洞吞噬,会引起黑洞温度的变化,从而改变黑洞熵值。

  霍金和佩里等人在论文中指出,零能量光子记录了黑洞熵,并给出了计算的方法。

  “不过,我们不知道黑洞熵是不是包含了进入黑洞的物体的所有信息,所以这只是长征第一步。”佩里说道。“我们觉得这是个好的起步,但还有很多研究要走。”即使“软毛发”记录了99%的信息,只要不到百分百,那就不足以解决黑洞信息悖论。

  除此之外,佩里等人还要需要解释这些被保存的信息如何在黑洞蒸发时逃逸出来。

  霍金的学生、英国南安普敦大学教授Marika Taylor对此评价道,黑洞熵背后的微观量子态尚不得而知。“论文里为此做了很多假设,接下去他们必须要证明这些假设是站得住的。”

  美国普林斯顿高等研究院的Juan Maldacena也说道,霍金指出黑洞是有温度的。我们都知道一般物体的温度与微观成分的运动有关,比如气体分子运动得越快,气温就越高。“黑洞中的这些微观成分是什么还不清楚,也不知道它们是如何存在于黑洞视界的。”

  佩里撰文写道,黑洞信息悖论最终涉及到引力理论和量子力学的统一问题。“我们给这个难题带来了一缕曙光。不幸的是,史蒂芬再也无法与我们分享激动之情了。”

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