来自宇宙的黑洞之谜

“如果没有‘软毛’,黑洞就会成为一个神秘莫测的球 。”苟利军说 。虽然目前霍金的最后一篇遗作仅仅是彻底解决悖论的第一步,还需要很多后续的努力,但是它为我们解决黑洞信息悖论问题提供了一个努力的方向 。
“贪食”属性引谜团 丢失的信息去哪儿了
爱因斯坦的广义相对论,是物理学的一大基础理论 。这一理论预言宇宙中存在一种质量极大的天体——黑洞 。黑洞可由质量、电荷和自转三个特征完整定义 。在这个“洞”中,光都很难“逃逸”,更遑论速度低于光速的其他物质 。因此,黑洞就像一只“只进不出”的“貔貅” 。假设,黑洞自身最终会消失,那么被黑洞“吞噬”的物体所携带的信息,自然也就随之消失了 。
不过,吞噬所有物质和信息的黑洞,却与物理学的另一基础理论量子力学产生了矛盾 。根据量子力学,一个物体的所有性质都由其状态决定,物体的状态则由波函数所表征 。换言之,在获得了物体在某一个具体时刻的波函数后,其此前或此后的任意时刻波函数,都能被当前波函数所决定 。因此,物体的信息必须守恒 。
这两大理论得出的关于信息丢失与否的矛盾,被称为黑洞信息悖论 。
中国科学院国家天文台研究员、黑洞及其高能爆发现象研究小组负责人苟利军从熵的角度,解释了黑洞的种种“传奇” 。
霍金曾与合作者在上世纪70年代提出黑洞热力学定理 。那个定理的最直接推论就是黑洞没有熵,物体掉进黑洞就完全消失了,包括信息 。熵反映了黑洞中存储信息量的多少 。这就意味着,因为黑洞的存在,通过某种方式,我们可以实现宇宙中熵的减少,这与我们所熟知的宇宙熵增加原理相违背 。正是因为这一违背之前原理的推论,才促使霍金发现了霍金辐射,而有了更让人困惑的黑洞信息悖论 。
合作伙伴“代笔”论文 解霍金几十年之困
剑桥大学理论物理学教授、论文共同作者马尔科姆·佩里表示,四十多年来,信息悖论问题始终是霍金生命的重心 。让霍金“复活”的论文,由其在剑桥大学与哈佛大学工作的三位合作伙伴执笔 。论文研究的,正是困扰了霍金几十年的问题:掉进黑洞中的物体,所携带的信息是否会丢失?这些信息能否从黑洞中“逃”出?
【来自宇宙的黑洞之谜】此前,霍金曾提出,除了质量、电荷和自转等三特征外,黑洞应当还具有温度这一特征 。
霍金认为,传统的黑洞研究只考虑了广义相对论 。但如果“叠加”上量子力学,则会发现,在空间的任一地方,都会存在粒子和反粒子对,它们会在瞬间产生和湮灭 。这些粒子对的能量越高,寿命就越短 。
如果在黑洞的边界,即视界上,有一瞬间产生的反粒子被黑洞吸收,那么与该反粒子成对、本该同步湮灭的粒子则可能不会湮灭,而成为了一个持续存在的真实粒子 。从外界的角度看,就类似于黑洞发射出了一个粒子 。此即霍金辐射 。从这一角度看,黑洞并非绝对黑,也并非一只“貔貅” 。
苟利军解释说,根据经典广义相对论,黑洞没有任何辐射,也不会有光子辐射出来,它所对应的温度则为绝对零度 。“但一旦考虑到有光子辐射出来,那么黑洞就不再是一个没有温度的天体 。”
天文学家过去认为,由于黑洞会不断产生辐射并且散失到太空中,黑洞的终极命运将是彻底蒸发、消失于无形,信息也随之消失殆尽 。但在2016年,霍金提出黑洞的“软毛”可以保存黑洞熵的部分信息 。所谓软毛,是黑洞视界面附近的光子 。它们来自黑洞蒸发过程中的辐射 。霍金和同事们在此次新发表的论文中,对于“软毛”如何携带熵信息进行了论证 。“我们发现‘软毛’确实能做到这一点 。”马尔科姆·佩里说 。

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