史蒂芬·霍金 著名的黑洞悖论可能终于有了答案

2023-04-04 18:11

最近一项针对斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）著名悖论的新解决方案表明，黑洞散发的“霍金辐射”可能能够携带信息。

新的研究表明，黑洞周围的辐射可能包含有关创造它们的大型恒星的信息，这些信息可能隐藏在被俗称为“量子毛发”的区域中，并且理论上可以被检索出来以重新讲述这些黑洞的起源。

这些发现发表在3月6日的《物理学快报》杂志上，最终可能解决霍金在他的最后几年一直在研究的一个棘手的问题。

根据霍金的研究，辐射以热能的形式从黑洞中缓慢“泄漏”出来，这被称为“霍金辐射”。但由于其热性质，这种辐射无法携带信息。这意味着随着黑洞蒸发，它们系统地摧毁有关创造它们的恒星的所有信息。这与量子力学的定律相悖，量子力学的定律表明信息不能被摧毁，物体的最终状态可以揭示其初始状态的线索。这个问题困扰宇宙学家数十年，被称为“霍金信息悖论”。

这项研究的主要作者、萨塞克斯大学物理学教授Xavier Calmet通过电子邮件告诉Live Science：“[这项研究]是这个悖论的最后一颗钉子，因为我们现在理解了信息如何从逐渐消失的黑洞中逃逸的确切物理现象。”他建议修改霍金辐射，使其成为“非热性的”，因此能够携带信息并远离黑洞的最终命运。

黑洞问题

黑洞是如此庞大，以至于它们的引力可以阻止任何东西逃离，甚至是光。当巨大的恒星耗尽燃料并向内坍缩时，它们就会形成黑洞。

Calmet表示，在经典物理学中，黑洞是“非常简单的物体”。他说：“它们非常简单，只需要用三个数字来描述：它们的质量、角动量和电荷。”

著名物理学家约翰·惠勒描述了这种缺乏区分特征的现象，称“黑洞没有毛发”。但是，Calmet解释说，虽然最终的黑洞非常简单，但创造它的原始恒星是一个复杂的天体，由质子、电子和中子的复杂混合物组成，这些粒子汇聚在一起形成了构成该恒星化学组成的元素。

虽然黑洞不会“记忆”它们曾经是什么样的恒星，但量子物理的规则表明信息不可能从宇宙中被简单地抹去。 1976年，霍金在这个宇宙中引入了一个问题，即显示信息也不能无限期地留在密封在外界宇宙之外的黑洞中。将量子力学的规则应用于黑洞，霍金提出它们排放一种热辐射，后来被称为霍金辐射。在漫长的时间内，这种辐射的泄漏会导致黑洞完全蒸发，只留下一个真空。这样，信息就被永久地丢失了。

“但是，这是不被量子物理所允许的，因为它设定了这个黑洞的‘生命’电影可以被倒带，”Calmet说。“从这个辐射开始，我们应该能够重建原始的黑洞，然后最终重建这颗恒星。”

寻找黑洞的“毛发”

Calmet与他的同事Steve Hsu，密歇根州立大学的理论物理学教授，自2021年以来一直致力于解决霍金的悖论。在之前的一项研究中，该团队在2022年3月发表的论文中指出，黑洞确实具有“量子毛发”，它们以一种独特的量子印记形式存在于围绕它们的引力场中。

在他们新研究中，该团队重新评估了霍金1976年的计算，但这次考虑了“量子引力”效应，即根据量子力学原理描述重力的方法，霍金当时没有这样做。

“虽然这些量子引力修正微不足道，但对于黑洞蒸发非常关键。我们能够展示这些影响会以一种非热的形式改变霍金辐射。换句话说，考虑到量子引力，辐射可以包含信息。”

虽然Calmet和Hsu之前提出的量子毛发是一个抽象的数学概念，但该团队现在已经确定了信息是如何通过霍金辐射从黑洞中逃逸，并且外部观察者如何检索信息。目前这是不可能的，因为需要一个足够敏感的仪器来测量霍金辐射，而这目前纯粹是理论性的想象。

Calmet承认，目前天体物理学家没有真正的方法来测量研究人员提出的这种影响，因为它微不足道。他建议推进这个理论的一种方法是在地球上研究黑洞的模拟。该团队对霍金辐射和黑洞的数学建模在这些模拟中可能会证明非常宝贵。