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霍金“复活”,给黑洞选了个“泄密者”

2018-11-01 09:32来源:科技日报

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  3月14日,著名物理学家史蒂芬·霍金的离世,震惊了整个世界,也遗憾了整个世界。原以为,霍金的研究也因此划上了句号。不想,半年后这位伟大的科学家“复活”了,以第二作者的身份,在arXiv网站上以《黑洞熵和软毛》为题,发表了其最新科学研究论文成果的预印版。这一消息在被著名学术期刊《科学》网站以《霍金最后论文的发出》为新闻发布后,再度引发了人们的关注:最后的论文,到底是写了啥?

  “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?

  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。

  “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。

  另类声音有新见解世间或许本无“洞”

  黑洞信息悖论问题扑朔迷离,而黑洞本身也并非获得了所有科学家的认同。甚至,有少数科学家认为,世界或许从来没有黑洞。天体物理学家曾提出过无数关于黑洞内部究竟长什么样的假设,在美国劳伦斯利佛摩国家实验室的科学家乔治·凯普林看来,这些猜想可能都是“无用功”。他认为,那些“黑洞”或许就是一个个甜甜圈状的暗能量星。

  2005年,乔治·凯普林在接受《自然》期刊采访时曾表示:“黑洞不存在的概率几乎是百分之百。”在他与诺贝尔物理学奖获得者罗伯特·劳克林此前合作研究的基础上,他又提出了一套名为“暗能量星”的黑洞替代模型。他认为,一颗正在坍缩的恒星中蓄积了巨大能量,足以使恒星中的质子和中子衰变成光子气体和其他基本粒子,同时产生所谓的“真空能液滴”。这些物质会形成“凝聚”态的时空,就像气体在一定压力下可以转化为液体一样。这些凝聚态时空中含有的暗能量密度远比恒星周围的时空高得多。这可以提供足够大的压力,抵挡引力的作用,从而阻止奇点形成。而时空中如果没有奇点,也就不可能存在黑洞。被大多数科学家当作黑洞的坍缩恒星其实可以被描述为时空正在发生相变的区域。

  当然,这一观点在天体物理学界鲜有人支持。在过去十年中,乔治·凯普林在这方面论文的引用次数仅为个位数。而相比之下,他在粒子物理学领域最热门的论文引用次数多达600多次。(记者 俞慧友)

[责编:蔡琳]

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