霍金臨終論文公開:揭秘沉入黑洞的信息去向

一璞 李根 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

最後一篇署名Stephen W. Hawking的論文,公開了。

沒錯,正是那位今年3月14日逝世的著名物理學家——史蒂芬·霍金。

這是他生前參與的最後一篇論文,甚至知曉論文更新時,霍金的回應已經非常艱難。

當是時,遠在美國哈佛的合作者Perry和Strominger,通過視頻向霍金彙報最新進展,卻不知霍金已近油盡燈枯。

「他已很難與人溝通,在我們打開揚聲器,解釋完研究的最新進展,他以一個『大笑臉』作為回應。」

然而誰也沒想到,幾天之後,霍金就此與世長辭。

那麼現在問題來了,這篇霍金生前的最後之作,究竟在研究什麼?

黑洞信息悖論

這篇論文名為《Black Hole Entropy and Soft Hair》,署名作者共4人。

一作Sasha Haco,劍橋大學博士生,霍金的「徒孫」;二作霍金;三作Malcolm Perry,劍橋大學教授,霍金的博士生;四作 Andrew Strominger,哈佛大學教授。

論文主要解決的是「黑洞信息悖論」問題。

這一難題起源可追溯至愛因斯坦。1915年,愛因斯坦提出廣義相對論,解釋重力如何從物質的時空彎曲效應中產生,以及行星為何圍繞太陽旋轉。

但是愛因斯坦的理論也對黑洞做出了重要預測,尤其重要的一點是黑洞可以完全由三個特徵來定義:質量、電荷和角動量。除此之外,所有的黑洞都一模一樣,特質被剝奪殆盡。

60年後,霍金提出了他此生最重要理論——黑洞蒸發理論,即通常所說的「霍金輻射」

如果將量子理論也計算進去,霍金髮現黑洞並不是完全「黑」:它會向視界外輻射光子和少量帶質量粒子,黑洞的質量隨之逐漸變小,蒸發速度越來越快,最終消亡。

然而,量子力學的一個基本規則就是信息永不消失。如果一個物體被黑洞吞噬,當黑洞本身最後都消失了,物體包含的信息都去哪兒了?

更具體來說,物理學中的信息指的是每個粒子的特定狀態,包括粒子的質量、位置、旋轉方式、溫度等,還有人的名字、指紋信息這些廣義上的信息。

而黑洞,眾所周知是一種密度極大的物體,可以將黑洞附近的一切物體甚至包括光都吸進去。隨著這個過程,黑洞吸走的不僅是物體,還包含信息。

一直以來,人們都認為這些信息將會永遠被封存在黑洞中。直到1975年,「霍金輻射」認為,黑洞是有溫度的,而且黑洞終將蒸發,蒸發後一無所有。黑洞原有的質量和能量回到了宇宙中。

這就與量子力學的基本原理產生了一個悖論:

黑洞中消失的信息 VS 信息永不消失的量子力學規則。

後來,霍金意識到,1975年的想法可能是個bug,黑洞根本不會蒸發。當霍金輻射逃逸時,黑洞內的信息也泄露了出來,信息依然還在宇宙中,並沒有消失。

光子「軟毛」

所以論文《黑洞熵與軟毛髮》提出了一個新的觀點,用來解釋那些從黑洞中泄露出來的信息去了哪裡。

由於黑洞本身引力巨大,導致它的周圍附近不太可能有其他什麼物質,因此,你可以將黑洞理解為一個髮際線已經消失的「禿子」。

而光子,則是黑洞附近柔軟的「毛髮」,可以記錄黑洞的「熵」。

任何有溫度的物體,都有熵,黑洞也不例外。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。

這篇論文,正是給出了「軟毛髮理論」的計算方法。

但最大的遺憾是,霍金已無法繼續參與並推動下一步,為人類更深入揭示宇宙未知的奧秘。

意義

論文公開後,業內普遍認為,這是對霍金科研生涯的最好收尾,這篇論文收集了霍金關於黑洞量子結構最後的一些研究成果,而過去40年里,霍金都在研究該主題。

但這只是整項研究歷程中一步,還不是最後的完整的答案。

論文合著者、霍金的博士生Malcolm Perry教授說:

在此之後,我們面前的未解之謎變少了,但還有一些令人困惑的問題需要解決,我們仍然沒有足夠的技術,來驗證霍金的偉大思想。

他還表示,霍金臨終前知曉了研究進展,我們正在給這個難題帶來一縷曙光。只是他再也無法跟我們分享激動之情了。

幾位合著者還在此次論文開頭,表達了對霍金的敬意:

失去我們深愛的朋友與合著者史蒂芬·霍金,我們深感悲痛,他對黑洞物理學的貢獻直至生命最後一刻,也會始終激勵我們,直到生命盡頭。

三位霍金的合著者

順便介紹下這篇霍金終作的其他三位合著者。

在這篇論文中,霍金是第二作者。

論文一作Sasha Haco,劍橋大學應用數學與理論物理系博士,哈佛大學自然基本定律中心訪問學者,主要研究天體物理學。

Sasha其實是霍金的小粉絲,中學時,她受到霍金《時間簡史》的啟發,決定大學讀物理學,2015年進入博士研究階段,師從霍金的學生Malcolm J. Perry教授。

三作Malcolm J. Perry,就職於劍橋大學應用數學與理論物理系,擔任理論物理學教授。

他是霍金的博士生,前面一作妹子的老師。博士畢業後,Perry先去了普林斯頓大學,後來回到劍橋,研究廣義複雜結構和弦論,2016年開始和霍金一同研究黑洞物理學,並發表了許多黑洞熱力學方面具有影響力的作品。

最後一位作者Andrew Strominger,理論物理學家,Calabi-Yau弦論緊湊化的共同發現者,曾在2016年獲得基礎物理學突破獎。

他就職於哈佛大學自然基本定律中心,任Gwill E. York物理學教授。Strominger博士畢業於MIT,在哈佛擔任教授前,他曾在UC聖塔芭芭拉任教。他主要研究力和粒子的統一、宇宙的起源以及黑洞和黑洞表面的量子結構。

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論文地址:

arxiv.org/abs/1810.0184

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