合作伙伴“代筆”論文 解霍金幾十年之困

3月14日，著名物理學(xué)家史蒂芬·霍金的離世，震驚了整個(gè)世界，也遺憾了整個(gè)世界。原以為，霍金的研究也因此劃上了句號(hào)。不想，半年后這位偉大的科學(xué)家“復(fù)活”了，以第二作者的身份，在arXiv網(wǎng)站上以《黑洞熵和軟毛》為題，發(fā)表了其最新科學(xué)研究論文成果的預(yù)印版。這一消息在被著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》網(wǎng)站以《霍金最后論文的發(fā)出》為新聞發(fā)布后，再度引發(fā)了人們的關(guān)注：最后的論文，到底是寫了啥?

“貪食”屬性引謎團(tuán) 丟失的信息去哪兒了

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，是物理學(xué)的一大基礎(chǔ)理論。這一理論預(yù)言宇宙中存在一種質(zhì)量極大的天體——黑洞。黑洞可由質(zhì)量、電荷和自轉(zhuǎn)三個(gè)特征完整定義。在這個(gè)“洞”中，光都很難“逃逸”，更遑論速度低于光速的其他物質(zhì)。因此，黑洞就像一只“只進(jìn)不出”的“貔貅”。假設(shè)，黑洞自身最終會(huì)消失，那么被黑洞“吞噬”的物體所攜帶的信息，自然也就隨之消失了。

不過(guò)，吞噬所有物質(zhì)和信息的黑洞，卻與物理學(xué)的另一基礎(chǔ)理論量子力學(xué)產(chǎn)生了矛盾。根據(jù)量子力學(xué)，一個(gè)物體的所有性質(zhì)都由其狀態(tài)決定，物體的狀態(tài)則由波函數(shù)所表征。換言之，在獲得了物體在某一個(gè)具體時(shí)刻的波函數(shù)后，其此前或此后的任意時(shí)刻波函數(shù)，都能被當(dāng)前波函數(shù)所決定。因此，物體的信息必須守恒。

這兩大理論得出的關(guān)于信息丟失與否的矛盾，被稱為黑洞信息悖論。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、黑洞及其高能爆發(fā)現(xiàn)象研究小組負(fù)責(zé)人茍利軍從熵的角度，解釋了黑洞的種種“傳奇”。

霍金曾與合作者在上世紀(jì)70年代提出黑洞熱力學(xué)定理。那個(gè)定理的最直接推論就是黑洞沒(méi)有熵，物體掉進(jìn)黑洞就完全消失了，包括信息。熵反映了黑洞中存儲(chǔ)信息量的多少。這就意味著，因?yàn)楹诙吹拇嬖?，通過(guò)某種方式，我們可以實(shí)現(xiàn)宇宙中熵的減少，這與我們所熟知的宇宙熵增加原理相違背。正是因?yàn)檫@一違背之前原理的推論， 才促使霍金發(fā)現(xiàn)了霍金輻射，而有了更讓人困惑的黑洞信息悖論。

合作伙伴“代筆”論文 解霍金幾十年之困

劍橋大學(xué)理論物理學(xué)教授、論文共同作者馬爾科姆·佩里表示，四十多年來(lái)，信息悖論問(wèn)題始終是霍金生命的重心。讓霍金“復(fù)活”的論文，由其在劍橋大學(xué)與哈佛大學(xué)工作的三位合作伙伴執(zhí)筆。論文研究的，正是困擾了霍金幾十年的問(wèn)題：掉進(jìn)黑洞中的物體，所攜帶的信息是否會(huì)丟失?這些信息能否從黑洞中“逃”出?

此前，霍金曾提出，除了質(zhì)量、電荷和自轉(zhuǎn)等三特征外，黑洞應(yīng)當(dāng)還具有溫度這一特征。

霍金認(rèn)為，傳統(tǒng)的黑洞研究只考慮了廣義相對(duì)論。但如果“疊加”上量子力學(xué)，則會(huì)發(fā)現(xiàn)，在空間的任一地方，都會(huì)存在粒子和反粒子對(duì)，它們會(huì)在瞬間產(chǎn)生和湮滅。這些粒子對(duì)的能量越高，壽命就越短。

如果在黑洞的邊界，即視界上，有一瞬間產(chǎn)生的反粒子被黑洞吸收，那么與該反粒子成對(duì)、本該同步湮滅的粒子則可能不會(huì)湮滅，而成為了一個(gè)持續(xù)存在的真實(shí)粒子。從外界的角度看，就類似于黑洞發(fā)射出了一個(gè)粒子。此即霍金輻射。從這一角度看，黑洞并非絕對(duì)黑，也并非一只“貔貅”。

茍利軍解釋說(shuō)，根據(jù)經(jīng)典廣義相對(duì)論，黑洞沒(méi)有任何輻射，也不會(huì)有光子輻射出來(lái)，它所對(duì)應(yīng)的溫度則為絕對(duì)零度。“但一旦考慮到有光子輻射出來(lái)，那么黑洞就不再是一個(gè)沒(méi)有溫度的天體。”

天文學(xué)家過(guò)去認(rèn)為，由于黑洞會(huì)不斷產(chǎn)生輻射并且散失到太空中，黑洞的終極命運(yùn)將是徹底蒸發(fā)、消失于無(wú)形，信息也隨之消失殆盡。但在2016年，霍金提出黑洞的“軟毛”可以保存黑洞熵的部分信息。所謂軟毛，是黑洞視界面附近的光子。它們來(lái)自黑洞蒸發(fā)過(guò)程中的輻射?；艚鸷屯聜?cè)诖舜涡掳l(fā)表的論文中，對(duì)于“軟毛”如何攜帶熵信息進(jìn)行了論證。“我們發(fā)現(xiàn)‘軟毛’確實(shí)能做到這一點(diǎn)。”馬爾科姆·佩里說(shuō)。

“如果沒(méi)有‘軟毛’，黑洞就會(huì)成為一個(gè)神秘莫測(cè)的球。”茍利軍說(shuō)。雖然目前霍金的最后一篇遺作僅僅是徹底解決悖論的第一步，還需要很多后續(xù)的努力，但是它為我們解決黑洞信息悖論問(wèn)題提供了一個(gè)努力的方向。

另類聲音有新見(jiàn)解世間或許本無(wú)“洞”

黑洞信息悖論問(wèn)題撲朔迷離，而黑洞本身也并非獲得了所有科學(xué)家的認(rèn)同。甚至，有少數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，世界或許從來(lái)沒(méi)有黑洞。天體物理學(xué)家曾提出過(guò)無(wú)數(shù)關(guān)于黑洞內(nèi)部究竟長(zhǎng)什么樣的假設(shè)，在美國(guó)勞倫斯利佛摩國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家喬治·凱普林看來(lái)，這些猜想可能都是“無(wú)用功”。他認(rèn)為，那些“黑洞”或許就是一個(gè)個(gè)甜甜圈狀的暗能量星。

2005年，喬治·凱普林在接受《自然》期刊采訪時(shí)曾表示：“黑洞不存在的概率幾乎是百分之百。”在他與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者羅伯特·勞克林此前合作研究的基礎(chǔ)上，他又提出了一套名為“暗能量星”的黑洞替代模型。他認(rèn)為，一顆正在坍縮的恒星中蓄積了巨大能量，足以使恒星中的質(zhì)子和中子衰變成光子氣體和其他基本粒子，同時(shí)產(chǎn)生所謂的“真空能液滴”。這些物質(zhì)會(huì)形成“凝聚”態(tài)的時(shí)空，就像氣體在一定壓力下可以轉(zhuǎn)化為液體一樣。這些凝聚態(tài)時(shí)空中含有的暗能量密度遠(yuǎn)比恒星周圍的時(shí)空高得多。這可以提供足夠大的壓力，抵擋引力的作用，從而阻止奇點(diǎn)形成。而時(shí)空中如果沒(méi)有奇點(diǎn)，也就不可能存在黑洞。被大多數(shù)科學(xué)家當(dāng)作黑洞的坍縮恒星其實(shí)可以被描述為時(shí)空正在發(fā)生相變的區(qū)域。

當(dāng)然，這一觀點(diǎn)在天體物理學(xué)界鮮有人支持。在過(guò)去十年中，喬治·凱普林在這方面論文的引用次數(shù)僅為個(gè)位數(shù)。而相比之下，他在粒子物理學(xué)領(lǐng)域最熱門的論文引用次數(shù)多達(dá)600多次。(俞慧友)

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