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霍金临终论文公开:揭秘沉入黑洞的信息去向

2018-10-14
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一璞 李根 发自 凹非寺 
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

最后一篇署名Stephen W. Hawking的论文,公开了。

没错,正是那位今年3月14日逝世的著名物理学家——史蒂芬·霍金。

这是他生前参与的最后一篇论文,甚至知晓论文更新时,霍金的回应已经非常艰难。

当是时,远在美国哈佛的合作者Perry和Strominger,通过视频向霍金汇报最新进展,却不知霍金已近油尽灯枯。

“他已很难与人沟通,在我们打开扬声器,解释完研究的最新进展,他以一个‘大笑脸’作为回应。”

然而谁也没想到,几天之后,霍金就此与世长辞。

那么现在问题来了,这篇霍金生前的最后之作,究竟在研究什么?

黑洞信息悖论

这篇论文名为《Black Hole Entropy and Soft Hair》,署名作者共4人。

一作Sasha Haco,剑桥大学博士生,霍金的“徒孙”;二作霍金;三作Malcolm Perry,剑桥大学教授,霍金的博士生;四作 Andrew Strominger,哈佛大学教授。

论文主要解决的是“黑洞信息悖论”问题。

这一难题起源可追溯至爱因斯坦。1915年,爱因斯坦提出广义相对论,解释重力如何从物质的时空弯曲效应中产生,以及行星为何围绕太阳旋转。

但是爱因斯坦的理论也对黑洞做出了重要预测,尤其重要的一点是黑洞可以完全由三个特征来定义:质量、电荷和角动量。除此之外,所有的黑洞都一模一样,特质被剥夺殆尽。

60年后,霍金提出了他此生最重要理论——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,物体包含的信息都去哪儿了?

更具体来说,物理学中的信息指的是每个粒子的特定状态,包括粒子的质量、位置、旋转方式、温度等,还有人的名字、指纹信息这些广义上的信息。

而黑洞,众所周知是一种密度极大的物体,可以将黑洞附近的一切物体甚至包括光都吸进去。随着这个过程,黑洞吸走的不仅是物体,还包含信息。

一直以来,人们都认为这些信息将会永远被封存在黑洞中。直到1975年,“霍金辐射”认为,黑洞是有温度的,而且黑洞终将蒸发,蒸发后一无所有。黑洞原有的质量和能量回到了宇宙中。

这就与量子力学的基本原理产生了一个悖论:

黑洞中消失的信息 VS 信息永不消失的量子力学规则。

后来,霍金意识到,1975年的想法可能是个bug,黑洞根本不会蒸发。当霍金辐射逃逸时,黑洞内的信息也泄露了出来,信息依然还在宇宙中,并没有消失。

光子“软毛”

所以论文《黑洞熵与软毛发》提出了一个新的观点,用来解释那些从黑洞中泄露出来的信息去了哪里。

由于黑洞本身引力巨大,导致它的周围附近不太可能有其他什么物质,因此,你可以将黑洞理解为一个发际线已经消失的“秃子”。

而光子,则是黑洞附近柔软的“毛发”,可以记录黑洞的“熵”。

任何有温度的物体,都有熵,黑洞也不例外。熵基本上是对人们所了解的黑洞的质量或旋转的定量测量。

这篇论文,正是给出了“软毛发理论”的计算方法。

但最大的遗憾是,霍金已无法继续参与并推动下一步,为人类更深入揭示宇宙未知的奥秘。

意义

论文公开后,业内普遍认为,这是对霍金科研生涯的最好收尾,这篇论文收集了霍金关于黑洞量子结构最后的一些研究成果,而过去40年里,霍金都在研究该主题。

但这只是整项研究历程中一步,还不是最后的完整的答案。

论文合著者、霍金的博士生Malcolm Perry教授说:

在此之后,我们面前的未解之谜变少了,但还有一些令人困惑的问题需要解决,我们仍然没有足够的技术,来验证霍金的伟大思想。

他还表示,霍金临终前知晓了研究进展,我们正在给这个难题带来一缕曙光。只是他再也无法跟我们分享激动之情了。

几位合著者还在此次论文开头,表达了对霍金的敬意:

失去我们深爱的朋友与合著者史蒂芬·霍金,我们深感悲痛,他对黑洞物理学的贡献直至生命最后一刻,也会始终激励我们,直到生命尽头。

三位霍金的合著者

顺便介绍下这篇霍金终作的其他三位合著者。

在这篇论文中,霍金是第二作者。

论文一作Sasha Haco,剑桥大学应用数学与理论物理系博士,哈佛大学自然基本定律中心访问学者,主要研究天体物理学。

Sasha其实是霍金的小粉丝,中学时,她受到霍金《时间简史》的启发,决定大学读物理学,2015年进入博士研究阶段,师从霍金的学生Malcolm J. Perry教授。

三作Malcolm J. Perry,就职于剑桥大学应用数学与理论物理系,担任理论物理学教授。

他是霍金的博士生,前面一作妹子的老师。博士毕业后,Perry先去了普林斯顿大学,后来回到剑桥,研究广义复杂结构和弦论,2016年开始和霍金一同研究黑洞物理学,并发表了许多黑洞热力学方面具有影响力的作品。

最后一位作者Andrew Strominger,理论物理学家,Calabi-Yau弦论紧凑化的共同发现者,曾在2016年获得基础物理学突破奖。

他就职于哈佛大学自然基本定律中心,任Gwill E. York物理学教授。Strominger博士毕业于MIT,在哈佛担任教授前,他曾在UC圣塔芭芭拉任教。他主要研究力和粒子的统一、宇宙的起源以及黑洞和黑洞表面的量子结构。

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论文地址:

https://arxiv.org/abs/1810.01847

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