@ 2018.10.12 , 12:00

去世7个月后,霍金新发表的论文都说了些什么?

斯蒂芬·霍金的最后一篇科学论文发表了。论文的共同作者是其他几位物理学家,他们与这位已故的宇宙学家一起致力于研究“物体进入黑洞后,信息到底哪去了”这一困扰了他一生问题。

这篇文章就是想要解决这个被理论物理学界称为“信息悖论”的问题。文章的相关工作是在霍金去世(2018年3月14日,老爷子死于"π day")几天前完成的。现在,这篇文章由霍金在剑桥和哈佛大学的同事们写成,并发表在了互联网上

剑桥大学的理论物理学家Malcolm Perry是这篇名为《黑洞熵与“柔软毛发”(Black Hole Entropy and Soft Hair)》论文的联合作者。他说,信息悖论“处于霍金生活的中心”已经超过40年时间了。

“但我们的技术依然不足以验证霍金的那些伟大想法。”

而至于这个难题的由来,则可以一路追溯到爱因斯坦身上。1915年,爱因斯坦发表了广义相对论,这个伟大的理论描述了时空如何因质量的存在而弯曲,又是如何因此产生引力的,并且解释了为什么行星会绕着太阳转。爱因斯坦的理论也对黑洞做出了重要的预测,其中特别引人注意的是,黑洞是仅仅由三个基本参数就能完全定义的:质量、电荷和自旋(角动量)

将近60年之后,霍金横空出世了。他认为黑洞也是有温度的。而因为任何热的(有温度)的物体都向空间散失热量,一个黑洞的终极命运就一定是:完全蒸发掉,无影无踪。但是这带来了一个更大的问题:量子世界的规则决定了,信息是永远不会消失的。所以,当一个物体坠入黑洞的时候,它所包含的信息又会何去何从呢?

“让人挠头的地方在于,如果你把什么东西扔进了黑洞,它看起来就是完全消失了。”Perry说。“如果黑洞自身最终也会消失,那怎么才能恢复这个东西上携带的信息呢?”

去世7个月后,霍金新发表的论文都说了些什么?

在最近的这篇论文中,霍金和他的同事展示了如何才至少可能把一些信息保存下来。把一个物体扔进黑洞,黑洞的温度就应该会有所改变。一个叫做“熵”的参数也会如此,这个物理量是用来描述物体内部无序程度的,会随着物体温度的升高而增长。

包括剑桥大学的Sasha Haco和哈佛大学的Andrew Strominger在内的物理学家研究指出,环绕黑洞视界的光子可以记录黑洞的熵——“视界”则是指光无法逃脱黑洞强大引力的那一点。他们把这种光子发出的光泽称之为“柔软毛发”。

“这篇论文指出,‘柔软毛发’可以用来解释熵。”Perry说到。

然而,这篇论文没有终结信息悖论问题。“我们不知道霍金的熵理论能不能解释所有可能被扔进黑洞的东西,但这确实是向前迈了一步。”Perry说。“我们认为这是很好的进步,但是前面还有好多工作等着呢。”

在霍金去世前几天,Perry正在哈佛与Strominger一起忙着论文的事情。他没意识到那时候霍金已经病重了,还收到霍金的消息,让把论文的最新进展告诉这位伟大的物理学家。这恐怕就是霍金最后一次的科学交流了。“那时候霍金已经很难与人沟通了,我不得不靠着一个大扩音器来说明最近都干了些啥。解释完之后,他只是向我挤出了一个大大的微笑。”

Perry和他的同事们还有很多未知之处需要探索,其中之一是与熵相关的信息是如何存储在“柔软毛发”中的,以及在黑洞蒸发时,这些信息又该如何逃出来。

“如果我把某样东西扔进黑洞,那么是所有其中的信息都储存在了黑洞的视界上吗?”Perry说到,“这是解决信息悖论的关键。如果只有一半、甚至是99%的信息存在了视界上都是不够的,必须要完全解决信息悖论才行。

“这算是一大进步,但是离完全解决问题还远得很。困扰我们的谜团稍微少了一点点,但令人头疼的问题还都在。”

南安普顿大学的理论物理学家Marika Taylor曾经是霍金的学生,她表示,理解熵这个物理量的微观起源——熵到底是在计算什么基本的量子状态?——是过去40年物理学界所面临的一项大挑战。

“这篇论文为搞清楚基于视界对称性的黑洞熵指出了一条可能的路径。文章作者不得不做出了几个非平凡的假设,所以下一步的工作就是要证明这些假设是有效的。”

Juan Maldacena是爱因斯坦的母校——普林斯顿高级研究所的理论物理学家,他说:“霍金发现了黑洞是温度的。对于普通的物体,我们知道温度其实来自于系统内微观成分的运动。举例来说,空气的温度来自于空气分子的运动:这些分子运动得越快,空气温度就越高。

“对于黑洞来说,我们还不知道它的微观成分到底是什么,也不知道这些成分是不是会与黑洞的视界有关。在一些具有特殊对称性的物理系统中,可以根据这些对称性来计算它的热性质。这篇论文表明,在黑洞视界附近,我们确实看到了其中一种特殊的对称性。”

本文译自 TheGuardian,由译者 Freez Sun 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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