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：

https://arxiv.org/abs/1810.01847

— 完 —

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