3月14日,著名物理學家史蒂芬·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家“復活”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)表了其最新科學研究論文成果的預印版。這一消息在被著名學術期刊《科學》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)了人們的關注:最后的論文,到底是寫了啥?
“貪食”屬性引謎團 丟失的信息去哪兒了
愛因斯坦的廣義相對論,是物理學的一大基礎理論。這一理論預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“只進不出”的“貔貅”。假設,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,卻與物理學的另一基礎理論量子力學產(chǎn)生了矛盾。根據(jù)量子力學,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于信息丟失與否的矛盾,被稱為黑洞信息悖論。
中國科學院國家天文臺研究員、黑洞及其高能爆發(fā)現(xiàn)象研究小組負責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70年代提出黑洞熱力學定理。那個定理的最直接推論就是黑洞沒有熵,物體掉進黑洞就完全消失了,包括信息。熵反映了黑洞中存儲信息量的多少。這就意味著,因為黑洞的存在,通過某種方式,我們可以實現(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。正是因為這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
劍橋大學理論物理學教授、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“復活”的論文,由其在劍橋大學與哈佛大學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,黑洞應當還具有溫度這一特征。
霍金認為,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,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,它所對應的溫度則為絕對零度?!暗坏┛紤]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?!?/p>
天文學家過去認為,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?;艚鸷屯聜冊诖舜涡掳l(fā)表的論文中,對于“軟毛”如何攜帶熵信息進行了論證?!拔覀儼l(fā)現(xiàn)‘軟毛’確實能做到這一點?!瘪R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?!逼埨娬f。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家的認同。甚至,有少數(shù)科學家認為,世界或許從來沒有黑洞。天體物理學家曾提出過無數(shù)關于黑洞內(nèi)部究竟長什么樣的假設,在美國勞倫斯利佛摩國家實驗室的科學家喬治·凱普林看來,這些猜想可能都是“無用功”。他認為,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獎獲得者羅伯特·勞克林此前合作研究的基礎上,他又提出了一套名為“暗能量星”的黑洞替代模型。他認為,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,從而阻止奇點形成。而時空中如果沒有奇點,也就不可能存在黑洞。被大多數(shù)科學家當作黑洞的坍縮恒星其實可以被描述為時空正在發(fā)生相變的區(qū)域。
當然,這一觀點在天體物理學界鮮有人支持。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,他在粒子物理學領域最熱門的論文引用次數(shù)多達600多次。(記者 俞慧友)
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