霍金最终后生可畏篇杂谈被协笔者完毕:掉进黑
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《黑洞与软毛发》提出了一个假说:黑洞的“软毛发”就是这些烟和灰烬,起码保存了部分信息。事实上,霍金和佩里、斯特鲁明格从2015年就开始怀疑黑洞“无毛”的基本性质就是错的,并在2016年发表了关于黑洞“软毛发”的第一篇论文。这些“软毛发”是黑洞视界上的零能量光子。

合作伙伴“代笔”论文 解霍金几十年之困

按照广义相对论的黑洞理论,椅子堕入黑洞视界消失,从黑洞中散逸出的光辐射却不带有椅子的半点信息结构。我们无法从黑洞蒸发出来的辐射知道落入黑洞的是椅子还是火腿。但是,这违背了量子力学态的时间反演属性。于是,悖论由此而生。这一悖论本身暴露,广义相对论和量子力学的不协调性,其中一定蕴藏着更为奇特的物理学规律。

“不过,我们不知道黑洞熵是不是包含了进入黑洞的物体的所有信息,所以这只是长征第一步。”佩里说道。“我们觉得这是个好的起点,但还有很多研究要走。”即使“软毛发”记录了99%的信息,只要不到百分百,那就不足以解决黑洞信息悖论。

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。

“这是研究历程中的一步,但绝不是完整的答案”该论文的共同作者 Malcolm Perry 告诉《卫报》。“在这之后,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斯蒂芬·霍金的伟大思想。“

美国普林斯顿高等研究院的Juan Maldacena也说道,霍金指出黑洞是有温度的。我们都知道一般物体的温度与微观成分的运动有关,比如气体分子运动得越快,气温就越高。“黑洞中的这些微观成分是什么还不清楚,也不知道它们是如何存在于黑洞视界的。”

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。

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佩里告诉英国《卫报》,霍金纠结黑洞信息悖论起码纠结了40多年。就在霍金逝世前几天,佩里还在哈佛与斯特鲁明格一起工作。那时他不知道霍金已近油尽灯枯,致电前去告知最新进展。事后想来,那可能是霍金生前最后一次学术交流。

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。

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霍金辐射表述为黑洞熵公式。霍金生前即指定这个公式作为墓志铭,如今伴他长眠于西敏寺。熵是一种描述混乱度的物理量,随着温度升高而增加。当物体被黑洞吞噬,会引起黑洞温度的变化,从而改变黑洞熵值。

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。

“问题是,如果你把东西扔进黑洞里,它看起来好像消失了一样“Perry 说道,”如果黑洞消失了,那扔进黑洞里的物体的信息要怎么恢复?”

1960年代,物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)基于爱因斯坦模型提出,黑洞是“无毛”的。具体来说,黑洞只会有三个性质:质量、电荷和自旋。除此之外,所有的黑洞都一模一样,特质被剥夺殆尽。

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。

黑洞信息悖论是霍金本人提出的。黑洞是时空的一个区域,这个区域内的引力非常强大,以至于任何东西,甚至光都不能从中逃逸出来 "因此黑洞是人类无法用肉眼观察或用光学天文望远镜观测到的"。

1975年,霍金提出了此生最重要的理论——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。

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。

去年3 月 14 日,霍金去世,享年 76 岁,但他的聪明才智对科学社区的贡献却仍未停止。作为一位备受尊敬的物理学家,霍金的最后一篇论文如今已在网上公开,这篇论文再次讨论了神秘的物理世界。在这篇题为《Black Hole Entropy and Soft Hair》的论文中,霍金与其他一些学者共同探讨了自己毕生研究的方向:当物体落入黑洞时信息将何去何从。

根据爱因斯坦引力场方程的计算,如果大量物质集中于空间一点,奇点周围会形成时空扭曲的“视界”,一旦进入这个界面,连光子也无法逃逸,故而称为“黑洞”。

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。”

将近 60 年后,霍金加入了这项研究。他认为黑洞也有温度。因为热的物体将热量散失到太空中,黑洞的最终命运是从宇宙中蒸发,不复存在。但是这带来了一个问题。根据量子世界的定律,信息永远不会消失。那么,当一个物体坠入黑洞时,它所包含的所有信息——例如一个卫星原子的性质——将何去何从?

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,物体包含的信息去了哪里呢?

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”。

黑洞信息悖论导出了量子力学个广义相对论的矛盾,二者究竟谁对谁错,我们至今无从知晓。

“史蒂芬交流很困难,我开着扬声解释最新的进展。他只给了一个大大的微笑。我告诉他我们取得了一定成果。他知道最终结果了。”佩里回忆道。

“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。

在这最后一篇论文中,霍金及其同事展示了有些信息如何被保存下来。把一个物体扔进黑洞,黑洞的温度会因此而改变。一种叫做熵(用来测量物体内部无序程度的指标)的特性也会如此。温度越高,熵就越高。

正如霍金和加州理工学院教授普雷斯吉尔(John Preskill)打的一个赌,这就像是把一本百科全书扔进火里焚烧殆尽。要解决黑洞信息悖论,等于是要找到某些烟和灰烬,来还原百科全书上的文字。

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”。

这一难题的起源可以追溯到爱因斯坦。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。

佩里撰文写道,黑洞信息悖论最终涉及到引力理论和量子力学的统一问题。“我们给这个难题带来了一缕曙光。不幸的是,史蒂芬再也无法与我们分享激动之情了。”

另类声音有新见解世间或许本无“洞”

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论文链接

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霍金的最后一篇论文探索了物理学界悬而未决的最大问题之一。他首先提出了一个问题:落入黑洞的物质真的会消失吗?根据物理学定律应该不可能消失。这一悖论令人困惑,因为它将引起量子力学与广义相对论的对立。霍金的最后这篇论文讨论的就是黑洞信息悖论。

霍金的学生、英国南安普敦大学教授Marika Taylor对此评价道,黑洞熵背后的微观量子态尚不得而知。“论文里为此做了很多假设,接下去他们必须要证明这些假设是站得住的。”

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。

但是在这篇论文中,霍金及其合著者提出,一种叫做“软毛发”(soft hair)的东西可以解决张力问题。“毛发”指的是视界上的光子。在视界的“软毛发”区域会储存落入黑洞的物质的有关信息。这意味着这些物质的信息其实并没有从宇宙中消失,而是看起来像是消失在明显的视界之外。

霍金最后一篇论文被合作者完成:掉进黑洞后……

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?

所谓黑洞的“软毛发”,指的是黑洞视界边缘的零能量光子。它们可能储存了黑洞的熵值。霍金等人研究黑洞的“软毛发”,为的是解决一个悬疑半世纪的悖论:物质掉进黑洞后,信息去哪了呢?

“贪食”属性引谜团 丢失的信息去哪儿了

霍金最终后生可畏篇杂谈被协笔者完毕:掉进黑洞后……【彩世界彩票注册平台官网】。《黑洞与软毛发》,这将成为最后一篇署有已故英国物理学家史蒂芬·霍金之名的论文。剑桥大学物理学家马尔科姆·佩里(Malcolm Perry)和哈佛大学教授安德鲁·斯特鲁明格(Andrew Strominger)近日完成了这项与霍金合作的研究。预印本网站ArXiv显示,论文的最后修改时间为10月9日,这距离霍金逝世已过去了近7个月。

霍金最终后生可畏篇杂谈被协笔者完毕:掉进黑洞后……【彩世界彩票注册平台官网】。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。

除此之外,佩里等人还要需要解释这些被保存的信息如何在黑洞蒸发时逃逸出来。

霍金最终后生可畏篇杂谈被协笔者完毕:掉进黑洞后……【彩世界彩票注册平台官网】。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。

霍金和佩里等人在论文中指出,零能量光子记录了黑洞熵,并给出了计算的方法。

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。

3月14日,着名物理学家史蒂芬⋅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。这一消息在被着名学术期刊《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?

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