霍金去世前幾天完成的論文發表,為黑洞信息悖論提供解決思路

2021-01-17 DeepTech深科技

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霍金生前所參與完成的最後一篇與黑洞相關的論文，於 10 月 9 日發表在了 arXiv.org 上，內容與「當物體落入黑洞後物體的信息會何去何從」有關。


該研究工作旨在解決「信息悖論」，但霍金生前的時候並未完成這項研究的全部內容，因此現在才由劍橋大學和哈佛大學的共同作者完成了最後的修改，並發表在了網上。


此前，曾有一篇題目為「A Smooth exit from eternal inflation?」 的論文刊出，並被認為是霍金生前最後一篇論文。其論文作者 Thomas Hertog 對 DT 君表示，「霍金的最後一次科學互動是在劍橋大學和我進行的，當時我們即將完成我們的多重宇宙論文。但究竟哪一篇是最後一篇論文並不重要：黑洞和宇宙學都是霍金最感興趣的研究課題，而這樣兩篇文章的出現都能說明，霍金一直活躍在科研的第一線，直到生命的最後。」


最近在預印本網站公布的論文共同作者、劍橋大學理論物理學教授 Malcolm Perry 說：「信息悖論此前曾伴隨霍金長達 40 餘年，而現在我們終於有了解決思路。」

 

「信息悖論」問題，指的是物體落入黑洞後有關物體本身的信息可能會就此從宇宙中消失，違反了量子力學的基本原理，其根源最早追溯至愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論除了解釋重力為何由時空彎曲產生，行星為何圍繞太陽，更重要的是還對黑洞做了一些預測，特別是黑洞只被三個特徵完全定義，即質量，電荷和旋轉。


在廣義相對論提出的近 60 年後，霍金為黑洞的定義添加了新的信息。霍金認為，黑洞具有溫度，而由於帶有溫度的物體會在太空環境中逐漸失去熱量，霍金的理論認為黑洞最終會在宇宙中完全蒸發。但量子力學的基本原理要求一個系統的信息永遠不會消失，這就引出了「信息悖論」，即當物體落入黑洞時，與物體有關的信息究竟會發生什麼變化？


圖 | 黑洞 （來源：Medium）


Perry 說：「量子力學不允許信息的丟失，如果一個物體落入黑洞，它看起來雖然像是消失在了黑洞中，但與其有關的信息並不會因落入黑洞而從宇宙中消失，但如果連黑洞本身都消失了，那之前落入該黑洞的物體的信息又去了哪呢？」


在於 10 月 9 日發表的這篇論新文中，霍金和他的同事們描述了落入黑洞的物體的部分信息會如何在黑洞蒸發後留存下來。在有物體落入黑洞時，黑洞本身的溫度會發生改變，而黑洞的熵（描述一個系統混亂程度的量）也是如此。隨著越來越多的物體落入黑洞，黑洞的熵便會逐漸增加。


包括劍橋大學的 Sasha Haco 和哈佛大學的 Andrew Strominger 在內的物理學家在論文中表明，黑洞的熵可能會由圍繞在黑洞表明的光子記錄下來，他們在論文中稱這些光子為「柔發（soft hair）」。

 

Perry 說：「這篇論文表明，這些被我們稱為『柔發』的光子可以解釋黑洞消失後熵的變化，這意味著落入黑洞的物體信息在黑洞消失後並沒有從宇宙中憑空消失。」


但這並不能完全解決信息悖論，Perry 說：「雖然能解釋部分信息的去向，但我們不知道黑洞的熵變是否就是落入黑洞物體的全部信息，但這篇論文無疑可以算是一個好的開端，未來還有很多工作要做。」


（來源：Murdo Macleod, the Guardian）


在論文完成前，也就是霍金去世的幾天前，Perry 還在哈佛與 Strominger 研究論文的證明過程，他們當時並不知道霍金已經病得十分嚴重，還曾打電話向霍金尋求意見。Perry 回憶道：「對當時的霍金來說，交流確實很困難，他開著揚聲器聽我們說明論文的證明到了哪一步，而當我逐步說明證明時，他只是露出了燦爛的笑容。或許他在我說明證明到哪一步時，就已經想到了最終的證明結果。」


當下，Perry 和同事們仍需解決的問題是，與黑洞的熵發生了聯繫的物體信息是如何被物理地存儲在了「柔發」中，以及當黑洞蒸發時這些信息是如何從黑洞裡被「移」到黑洞外的。

 

Perry 說：「假如有一個物體落入了黑洞，那存儲在視界上的信息是該物體的什麼信息？這是解決信息悖論的關鍵，因為如果存儲的信息不是原信息的 100%，悖論就沒有得到解決。雖然已經有部分問題得到解決，但我們現在還沒有完全解決信息悖論。」

 

南安普頓大學理論物理學教授，霍金以前的學生 Marika Taylor 說：「這涉及從微觀層面上理解黑洞的熵的起源，比如這種熵的量子狀態是什麼，而這在過去 40 年間一直都是物理學中的一個重大難題。這篇新發表的論文則以有效假設為基礎，用一種基於視界對稱性來理解黑洞熵的方法給出了該問題的部分答案。」

 

普林斯頓大學高等研究所的理論物理學家 Juan Maldacena 說：「霍金的理論認為黑洞具有溫度。對常規物體而言，溫度代表著系統內微觀組成部分的運動狀態。例如，空氣中的分子移動速度越快，我們所能測得的溫度也就越高。但我們目前尚不清楚是什麼組成了黑洞，以及這些組成部分是否與視界有關。在一些具有特殊對稱性的物理系統中，我們可以根據對稱性計算系統的熱力學性質，而這篇新發表的論文則證明了黑洞的視界也有這種對稱性。」

 

-End-


編輯：Peter 

參考：

https://www.theguardian.com/science/2018/oct/10/stephen-hawkings-final-scientific-paper-released


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