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2018-11-01 16:18:24
合作伙伴“代筆”論文 解霍金幾十年之困
2018-11-01 16:18:24 來源: 科技日報(bào)
3月14日，著名物理學(xué)家史蒂芬·霍金的離世，震驚了整個世界，也遺憾了整個世界。原以為，霍金的研究也因此劃上了句號。不想，半年后這位偉大的科學(xué)家“復(fù)活”了，以第二作者的身份，在arXiv網(wǎng)站上以《黑洞熵和軟毛》為題，發(fā)表了其最新科學(xué)研究論文成果的預(yù)印版。這一消息在被著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》網(wǎng)站以《霍金最后論文的發(fā)出》為新聞發(fā)布后，再度引發(fā)了人們的關(guān)注：最后的論文，到底是寫了啥?
“貪食”屬性引謎團(tuán) 丟失的信息去哪兒了
愛因斯坦的廣義相對論，是物理學(xué)的一大基礎(chǔ)理論。這一理論預(yù)言宇宙中存在一種質(zhì)量極大的天體——黑洞。黑洞可由質(zhì)量、電荷和自轉(zhuǎn)三個特征完整定義。在這個“洞”中，光都很難“逃逸”，更遑論速度低于光速的其他物質(zhì)。因此，黑洞就像一只“只進(jìn)不出”的“貔貅”。假設(shè)，黑洞自身最終會消失，那么被黑洞“吞噬”的物體所攜帶的信息，自然也就隨之消失了。
不過，吞噬所有物質(zhì)和信息的黑洞，卻與物理學(xué)的另一基礎(chǔ)理論量子力學(xué)產(chǎn)生了矛盾。根據(jù)量子力學(xué)，一個物體的所有性質(zhì)都由其狀態(tài)決定，物體的狀態(tài)則由波函數(shù)所表征。換言之，在獲得了物體在某一個具體時刻的波函數(shù)后，其此前或此后的任意時刻波函數(shù)，都能被當(dāng)前波函數(shù)所決定。因此，物體的信息必須守恒。
這兩大理論得出的關(guān)于信息丟失與否的矛盾，被稱為黑洞信息悖論。
中國科學(xué)院國家天文臺研究員、黑洞及其高能爆發(fā)現(xiàn)象研究小組負(fù)責(zé)人茍利軍從熵的角度，解釋了黑洞的種種“傳奇”。
霍金曾與合作者在上世紀(jì)70年代提出黑洞熱力學(xué)定理。那個定理的最直接推論就是黑洞沒有熵，物體掉進(jìn)黑洞就完全消失了，包括信息。熵反映了黑洞中存儲信息量的多少。這就意味著，因?yàn)楹诙吹拇嬖冢ㄟ^某種方式，我們可以實(shí)現(xiàn)宇宙中熵的減少，這與我們所熟知的宇宙熵增加原理相違背。正是因?yàn)檫@一違背之前原理的推論， 才促使霍金發(fā)現(xiàn)了霍金輻射，而有了更讓人困惑的黑洞信息悖論。
合作伙伴“代筆”論文 解霍金幾十年之困
劍橋大學(xué)理論物理學(xué)教授、論文共同作者馬爾科姆·佩里表示，四十多年來，信息悖論問題始終是霍金生命的重心。讓霍金“復(fù)活”的論文，由其在劍橋大學(xué)與哈佛大學(xué)工作的三位合作伙伴執(zhí)筆。論文研究的，正是困擾了霍金幾十年的問題：掉進(jìn)黑洞中的物體，所攜帶的信息是否會丟失?這些信息能否從黑洞中“逃”出?
此前，霍金曾提出，除了質(zhì)量、電荷和自轉(zhuǎn)等三特征外，黑洞應(yīng)當(dāng)還具有溫度這一特征。
霍金認(rèn)為，傳統(tǒng)的黑洞研究只考慮了廣義相對論。但如果“疊加”上量子力學(xué)，則會發(fā)現(xiàn)，在空間的任一地方，都會存在粒子和反粒子對，它們會在瞬間產(chǎn)生和湮滅。這些粒子對的能量越高，壽命就越短。
如果在黑洞的邊界，即視界上，有一瞬間產(chǎn)生的反粒子被黑洞吸收，那么與該反粒子成對、本該同步湮滅的粒子則可能不會湮滅，而成為了一個持續(xù)存在的真實(shí)粒子。從外界的角度看，就類似于黑洞發(fā)射出了一個粒子。此即霍金輻射。從這一角度看，黑洞并非絕對黑，也并非一只“貔貅”。
茍利軍解釋說，根據(jù)經(jīng)典廣義相對論，黑洞沒有任何輻射，也不會有光子輻射出來，它所對應(yīng)的溫度則為絕對零度。“但一旦考慮到有光子輻射出來，那么黑洞就不再是一個沒有溫度的天體。”
天文學(xué)家過去認(rèn)為，由于黑洞會不斷產(chǎn)生輻射并且散失到太空中，黑洞的終極命運(yùn)將是徹底蒸發(fā)、消失于無形，信息也隨之消失殆盡。但在2016年，霍金提出黑洞的“軟毛”可以保存黑洞熵的部分信息。所謂軟毛，是黑洞視界面附近的光子。它們來自黑洞蒸發(fā)過程中的輻射。霍金和同事們在此次新發(fā)表的論文中，對于“軟毛”如何攜帶熵信息進(jìn)行了論證。“我們發(fā)現(xiàn)‘軟毛’確實(shí)能做到這一點(diǎn)。”馬爾科姆·佩里說。
“如果沒有‘軟毛’，黑洞就會成為一個神秘莫測的球。”茍利軍說。雖然目前霍金的最后一篇遺作僅僅是徹底解決悖論的第一步，還需要很多后續(xù)的努力，但是它為我們解決黑洞信息悖論問題提供了一個努力的方向。
另類聲音有新見解世間或許本無“洞”
黑洞信息悖論問題撲朔迷離，而黑洞本身也并非獲得了所有科學(xué)家的認(rèn)同。甚至，有少數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，世界或許從來沒有黑洞。天體物理學(xué)家曾提出過無數(shù)關(guān)于黑洞內(nèi)部究竟長什么樣的假設(shè)，在美國勞倫斯利佛摩國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家喬治·凱普林看來，這些猜想可能都是“無用功”。他認(rèn)為，那些“黑洞”或許就是一個個甜甜圈狀的暗能量星。
2005年，喬治·凱普林在接受《自然》期刊采訪時曾表示：“黑洞不存在的概率幾乎是百分之百。”在他與諾貝爾物理學(xué)獎獲得者羅伯特·勞克林此前合作研究的基礎(chǔ)上，他又提出了一套名為“暗能量星”的黑洞替代模型。他認(rèn)為，一顆正在坍縮的恒星中蓄積了巨大能量，足以使恒星中的質(zhì)子和中子衰變成光子氣體和其他基本粒子，同時產(chǎn)生所謂的“真空能液滴”。這些物質(zhì)會形成“凝聚”態(tài)的時空，就像氣體在一定壓力下可以轉(zhuǎn)化為液體一樣。這些凝聚態(tài)時空中含有的暗能量密度遠(yuǎn)比恒星周圍的時空高得多。這可以提供足夠大的壓力，抵擋引力的作用，從而阻止奇點(diǎn)形成。而時空中如果沒有奇點(diǎn)，也就不可能存在黑洞。被大多數(shù)科學(xué)家當(dāng)作黑洞的坍縮恒星其實(shí)可以被描述為時空正在發(fā)生相變的區(qū)域。
當(dāng)然，這一觀點(diǎn)在天體物理學(xué)界鮮有人支持。在過去十年中，喬治·凱普林在這方面論文的引用次數(shù)僅為個位數(shù)。而相比之下，他在粒子物理學(xué)領(lǐng)域最熱門的論文引用次數(shù)多達(dá)600多次。(俞慧友)
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