霍金人生最終論文公開:資訊永不消失的狀況下,被黑洞吸收的物質哪去了?

【我們為什麼挑選這篇文章】霍金是歷史上僅次於愛因斯坦的物理學家。他一生的發現不僅突破了物理學的極限,也重塑了我們看世界的角度。霍金的功勞無可限量,他的逝世也讓世人嘆息失去了一位人傑。

近日霍金與其他三位研究人員的研究論文公開了,而這就是最後一篇有霍金署名的論文。(責任編輯:陳伯安)

最後一篇署名  Stephen W. Hawking 的論文,公開了。

沒錯,正是那位今年  月  14 日逝世的著名物理學家  —— 史蒂芬 ·霍金。

這是他生前參與的最後一篇論文,甚至知曉論文更新時,霍金的回應已經非常艱難。

當是時, 遠在美國哈佛的合作者  Perry 和 Strominger,通過視訊向霍金彙報最新進展,卻不知霍金已近油盡燈枯。

「他已很難與人溝通,在我們打開揚聲器,解釋完研究的最新進展,他以一個『大笑臉』 作為回應。」

然而誰也沒想到,幾天之後,霍金就此與世長辭。

那麼現在問題來了,這篇霍金生前的最後之作,究竟在研究什麼?

黑洞中消失的物質 VS. 量子力學的資訊永不消失定律

這篇論文名為《 Black Hole Entropy and Soft Hair》,署名作者共 人。

一作 Sasha Haco,劍橋大學博士生,霍金的「徒孫」;二作霍金;三作 Malcolm Perry,劍橋大學教授,霍金的博士生;四作 Andrew Strominger,哈佛大學教授。

論文主要解決的是「黑洞資訊悖論」問題。

這一難題起源可追溯至愛因斯坦。 1915 年,愛因斯坦提出廣義相對論,解釋重力如何從物質的時空彎曲效應中產生,以及行星為何圍繞太陽旋轉。

但是愛因斯坦的理論也對黑洞做出了重要預測,尤其重要的一點是黑洞可以完全由三個特徵來定義:質量、電荷和角動量。除此之外,所有的黑洞都一模一樣,特質被剝奪殆盡。

60 年後,霍金提出了他此生最重要理論 ——黑洞蒸發理論,即通常所說的 「霍金輻射」

如果將量子理論也計算進去,霍金發現黑洞並不是完全「黑」:它會向視界外輻射光子和少量帶質量粒子,黑洞的質量隨之逐漸變小,蒸發速度越來越快,最終消亡。

然而,量子力學的一個基本規則就是資訊永不消失。如果一個物體被黑洞吞噬,當黑洞本身最後都消失了,物體包含的資訊都去哪兒了?

更具體來說,物理學中的資訊 指的是每個粒子的特定狀態,包括粒子的質量、位置、旋轉方式、溫度等,還有人的名字、指紋資訊這些廣義上的資訊。

而黑洞,眾所周知是一種密度極大的物體,可以將黑洞附近的一切物體甚至包括光都吸進去。隨著這個過程,黑洞吸走的不僅是物體,還包含資訊。

一直以來,人們都認為這些資訊將會永 遠被封存在黑洞中。直到  1975 年,「霍金輻射」認為,黑洞是有溫度的,而且黑洞終將蒸發,蒸發後一無所有。黑洞原有的質量和能量回到了宇宙中。

這就與量子力學的基本原理產生了一個悖論:

黑洞中消失的資訊  VS 資訊 永不消失的量子力學規則。

後來,霍金意識到, 1975 年的想法可能是個 Bug,黑洞根本不會蒸發。當霍金輻射逃逸時,黑洞內的資訊也洩露了出來,資訊依然還在宇宙中,並沒有消失。

何謂光子軟毛?為何與黑洞質量計算相關?

所以論文《黑洞熵與軟毛髮》提出了一個新的觀點,用來解釋那些從黑洞中洩露出來的資訊去了哪裡。

由於黑洞本身引力巨大,導致它的周圍附近不太可能有其他什麼物質,因此,你可以將黑洞理解為一個發際線已經消失的「禿子」。

而光子,則是黑洞附近柔軟的「毛髮」,可以記錄黑洞的「熵」。

任何有溫度的物體,都有熵,黑洞也不例外。熵基本上是對人們所瞭解的黑洞的質量或旋轉的定量測量。

這篇論文,正是給出了「軟毛髮理論」的計算方法。

但最大的遺憾是,霍金已無法繼續參與並推動下一步,為人類更深入揭示宇宙未知的奧秘。

關於霍金最後一篇論文的意義

論文公開後,業內普遍認為,這是對霍金科研生涯的最好收尾,這篇論文收集了霍金關於黑洞量子結構最後的一些研究成果,而過去  40 年里,霍金都在研究該主題。

但這只是整項研究歷程中一步,還不是最後的完整的答案。

論文合著者、霍金的博士生  Malcolm Perry 教授說:

在此之後,我們面前的未解之謎變少了,但還有一些令人困惑的問題需要解決,我們仍然沒有足夠的技術,來驗證霍金的偉大思想。

他還表示,霍金臨終前知曉了研究進展,我們正在給這個難題帶來一縷曙光。只是他再也無法跟我們分享激動之情了。

幾位合著者還在此次論文開頭,表達了對霍金的敬意:

失去我們深愛的朋友與合著者史蒂芬 ·霍金,我們深感悲痛,他對黑洞物理學的貢獻直至生命最後一刻,也會始終激勵我們,直到生命盡頭。

與霍金合作的三位研究人員

順便介紹下這篇霍金終作的其他三位合著者。

在這篇論文中,霍金是第二作者。

論文一作 Sasha Haco,劍橋大學應用數學與理論物理系博士,哈佛大學自然基本定律中心訪問學者,主要研究天體物理學。

Sasha 其實是霍金的小粉絲,中學時,她受到霍金《時間簡史》的啓發,決定大學讀物理學, 2015 年進入博士研究階段,師從霍金的學生  Malcolm J. Perry 教授。

三作 Malcolm J. Perry,就職於劍橋大學應用數學與理論物理系,擔任理論物理學教授。

他是霍金的博士生,前面女士的老師。博士畢業後, Perry 先去了普林斯頓大學,後來回到劍橋,研究廣義複 雜結構和弦論, 2016 年開始和霍金一同研究黑洞物理學,併發表了許多黑洞熱力學方面具有影響力的作品。

最後一位作者  Andrew Strominger,理論物理學家,Calabi-Yau 弦論緊湊化的共同發現者,曾在  2016 年獲得基礎物理學突破獎。

他就職於哈佛大學自然基本定律中心,任  Gwill E. York 物理學教授。 Strominger 博士畢業於  MIT,在哈佛擔任教授前,他曾在 UC 聖塔芭芭拉任教。他主要研究力和粒子的統一、宇宙的起源以及黑洞和黑洞表面的量子結構。

論文地址 於此

(本文經原作者 量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈霍金临终论文公开:揭秘沉入黑洞的信息去向 〉。)

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