編者註：史蒂芬·霍金的最後一篇科學論文已經由物理學家發表，他們與這位今年3月14日已故的宇宙學家合作，一起研究霍金畢生致力於理解當物體落入黑洞時信息會發生什麼，向我們解釋了如何提高我們對宇宙永恆奧秘之一的理解。這項研究解決了理論物理學家稱之為「信息悖論」的問題，在霍金去世前完成的。現在，霍金在劍橋大學和哈佛大學的同事們編寫並在網上發布。劍橋大學理論物理學教授馬爾科姆·佩裡是論文《黑洞的熵與柔軟的頭髮》（Black Hole Entropy and Soft Hair）的合著者，信息悖論是霍金40多年來工作的重心。
根據英國《衛報》10月10日報導，信息悖論可能是當今基礎理論物理學中最令人困惑的問題，43年前（1975年），霍金創立了這個理論體系，直到最近，這仍然讓許多人困惑不解。從2015年開始，霍金、安德魯·斯特雷明格和我開始懷疑，我們是否能夠通過質疑構成困難的基本假設，來理解擺脫這種困難的方法，我們在2016年發表了關於這個主題的第一篇論文，從那以後我們一直在努力研究這個問題。最近的一項工作，或許也是霍金參與的最後一篇科學論文，剛剛已經發表，雖然我們還沒有解決信息悖論問題，但我們希望我們已經鋪平了道路，我們正在這一領域繼續進行密集的工作。
考慮到現在的情況，物理學真正的目的是能夠預測未來，例如，如果你扔一個球，一旦你知道它的初始位置和速度，那麼你就能知道它在未來的位置。這種推理對於我們所謂的經典物理學來說是好的，但對於像原子和電子這樣的小粒子，規則需要就行一些修改，正如量子力學所描述的那樣，在量子力學中，人們發現只能計算各種事情發生的概率，而不能描述精確的結果。在拋球的情況下，人們不會知道其精確的軌跡，而只知道在給定其初始條件下它將在某個特定位置的概率。
霍金髮現，在黑洞物理學中，似乎存在比量子力學更大的不確定性，然而，這種不確定性似乎是完全不可接受的，因為它導致了許多物理定律似乎崩潰了，它將會剝奪我們預測黑洞未來的能力。除了黑洞是真實的物理物體外，這可能沒什麼意義，在許多星系的中心都有巨大的黑洞。我們之所以知道這一點，是因為對銀河系中心的觀測表明，那裡有一個高密度的天體，其質量是我們太陽質量的幾百萬倍；如此巨大的質量濃度可能只是一個黑洞。這個類星體位於非常遙遠星系的中心，是非常明亮的天體，其能量是由落在黑洞上的物質提供動力的，美國引力波天文臺LIGO最近發現了時空漣漪，即由黑洞碰撞產生的引力波。
問題的根源在於，人們曾經認為黑洞是由它們的質量和自旋來進行描述的。如果你把東西扔進黑洞裡，一旦它在裡面，你就無法知道它被扔進了什麼地方。這些想法被概括為「黑洞沒有頭髮（a black hole has no hair）」，我們可以通過觀察人們的頭髮來區分每個人，但是黑洞似乎是完全禿頂的，早在1974年，霍金就發現黑洞不是完美的吸收器，而是更像我們所說的「黑體」，黑體的特徵是有溫度，所有有溫度的物體都會產生熱輻射。
如果你去看醫生，很可能通過設備來測量你的體溫，這是一個紅外傳感器，它通過檢測你產生的熱輻射來測量你的溫度，一塊在火中加熱的金屬會發光，因為它會產生熱輻射。
黑洞也不例外，它們具有溫度並產生熱輻射，這個溫度的公式，也就是眾所周知的霍金溫度，被刻在紀念霍金在威斯敏斯特教堂的生平紀念碑上。任何具有溫度的物體也具有熵，熵是衡量一個物體從其微觀成分中能以多少種不同的方式被製造出來，並且看起來仍然是一樣的。因此，對於一種特殊的熾熱的金屬來說，可以通過多種方式將構成它的原子排列，使它看起來像你觀察到的金屬塊，霍金的黑洞溫度公式使他能夠找到黑洞的熵。
那麼問題是：熵是如何產生的？由於所有的黑洞看起來都是一樣的，因此熵的起源是信息悖論的中心。我們最近所做的是在數學上發現了一個缺口，導致了黑洞是完全禿頂的結論。2016年，霍金、安迪和我發現黑洞擁有無窮無盡的「柔軟的頭髮」，這一發現使我們可以質疑黑洞導致物理學定律崩潰的觀點。
霍金一直和我們一起工作到他生命的盡頭，我們現在發表了一篇論文，描述了我們目前對這個問題的看法，該論文描述了一種計算黑洞熵的方法，熵基本上是對人們所了解的黑洞的質量或旋轉的定量測量。雖然這不是信息悖論的解決方案，但我們認為它提供了一些相當深刻的見解，我們還需要進一步的工作，但我們感受到鼓舞，促使我們繼續研究這一領域，信息悖論與我們尋找的與量子力學相容的引力理論密切相關。
愛因斯坦的廣義相對論在描述大尺度的時空和引力方面非常成功，但是要觀察世界如何在小規模上運作需要量子理論。正如粒子物理學的「標準模型」所解釋的那樣，有非常成功的自然非引力理論，這些理論已經過了詳盡的檢驗，最近在歐洲核子研究中心由大型強子對撞機發現的希格斯粒子，就是對這些想法的一個極好的證實例子。
然而，將引力結合到這幅圖中仍然是我們無法理解的，除了他在黑洞方面的研究工作之外，霍金還在追求他希望能將引力與其他自然力量統一起來的想法，從而將愛因斯坦的觀點與量子理論的觀點統一起來。我們在黑洞方面的工作確實揭示了另一個難題，遺憾的是，霍金再也無法與我們分享我們對解決這些問題的可能性的興奮，要知道這些問題現在已經存在了半個世紀。
原作者：馬爾科姆·佩裡（Malcolm Perry）是劍橋大學理論物理學教授，也是新黑洞研究的合著者。