霍金最新理论"黑洞软毛发"引争议:专家意见分歧

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　艺术示意图：星系M60-UCD1中的黑洞。传统观点认为随着黑洞消失，它所吞噬的物质所包含的信息也将从宇宙中消失。但这与量子力学原理相矛盾，从而产生所谓“黑洞信息悖论”
　新浪科技讯 北京时间2月1日消息，据《自然》杂志网站报道，大约一个月前，英国著名物理学家史蒂芬·霍金和他的同事们在预印网站上发表了一篇论文(论文网址：http://arxiv.org/abs/1601.00921)。 然而在论文发表将近一个多月之后，物理学家们却陷入了意见分裂的局面。

　　一部分物理学家支持霍金在论文中提出的主张，即认为该理论提供了一种解决黑洞信息悖论的有希望的途径，而这一悖论本身也是霍金在40多年前最早提出来的。

　　美国哈佛大学的物理学家安德鲁·斯特罗明格(Andrew Strominger)是霍金这篇最新论文的合著者，他指出：“我想人们普遍对此感到兴奋，因为它提供了一种看待事物的崭新方式，而此前的方式往往会把我们带进死胡同。”斯特罗明格在1月18日在英国剑桥大学向其他物理学同行们介绍了这篇论文中的观点，那里正是霍金工作的大学。

　　不过，并非所有物理学家都同意他的观点，尽管他们当中的一些人也承认这篇文章对于物理学中的很多问题都有很好的启发作用。在上世纪70年代中期，霍金发现黑洞实际上并非完全是“黑的”，而是会发出一些辐射。根据量子力学原理，量子涨落效应必然会在黑洞事件边界附近产生出一个粒子对——黑洞的事件边界是黑洞死亡范围的边界，一旦越过这条线便有去无回。在产生出的这些粒子中会有一部分逃离黑洞的引力并带走一部分质量，从而造成黑洞质量的损失，使其逐渐收缩并最终消失。

　　在1976年发表的一篇文章里，霍金指出这些向外流出的粒子(后来被称作“霍金辐射”)将具有完全随机的性质。因此一旦黑洞消失，此前所有被黑洞吞噬的物质所携带的全部信息也将随之从宇宙间消失。然而这样的结果将与量子力学原理相冲突，后者指出，信息和能量一样是守恒的，是无法被消灭的。于是这个冲突就成为著名的“黑洞信息悖论”。在一次演讲中，斯特罗明格表示：“大概这篇文章会比历史上的任何其他论文都会让更多的物理学家晚上睡不着觉。”

　　他指出，这其中的疏漏就在于忽略了真空携带信息的潜力。在他们的最新论文中，他和霍金以及第三作者，同样来自英国剑桥大学的物理学家马尔科姆·佩里(Malcolm Perry)共同将关注的目光指向了软粒子(soft particles)。这些是低能量版本的光子、物理学家们假想中认为应当存在的引力子以及其他类型的粒子。直到最近，这些概念还都仅仅停留在被用于粒子物理的纸面计算中。但这一次，论文作者们注意到黑洞所在的真空环境实际上不可能是完全真空的，而必须充满着粒子，因此在这样的环境里存在大量处于零能量状态的软粒子。

　　于是，他们进一步推理指出任何落入黑洞的物质都会在这些粒子中间留下印记。斯特罗明格表示：“如果你在一个完全的真空里，如果你呼吸，或是做任何事情，你都会造成很多软引力子的扰动。”经过这样的扰动之后，黑洞周围的真空就被改变了，这些物质中所包含的信息也在这样的改变中被保留了下来。

　　在论文中，作者接下来探讨了将这些信息传导至黑洞的机制，这是解决信息悖论所必须的步骤。论文作者们采用的方法是尝试通过计算，找出能够解码黑洞事件边界附近以量子形式存储的数据——也就是所谓“黑洞毛发”——的方法。

　　信息传输问题

　　但即便到这一步，整个工作仍然是不完整的。阿布海·阿什特卡(Abhay Ashtekar)在美国宾夕法尼亚州立大学从事对引力的研究。他认为这篇论文中所提及的向黑洞传输信息的方式——也就是所谓的“柔软毛发”——不能让他感到信服。并且在论文中，霍金和其他作者也坦白承认他们目前并不清楚这些被传输的信息随后将如何被传递到霍金辐射之中，而这是下一个关键性的步骤。

　　史蒂芬·艾弗里(Steven Avery)是美国布朗大学的一名理论物理学家，他本人对于这项最新研究能够解决黑洞信息悖论的看法持保留意见，但他同时也乐见这项工作拓展了软粒子的重要性。他注意到，斯特罗明格在研究中发现软粒子能够揭示自然界已知力量间的某种微妙对称性：“有一些是我们此前就已经了解的，但另外一些则是新的”。

　　总体而言，其他物理学家对于这项研究在解决信息悖论方面的前景抱有相对乐观的看法，其中就包括德国法兰克福高等学术研究所的萨宾·霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder)。她表示这一有关“黑洞软毛发”的研究，再加上她的团队开展的一些工作，似乎可以解决一项更晚被提出的问题，也就是所谓的“黑洞火墙问题”(firewall problem)。该问题的核心在于：霍金辐射的产生是否会导致黑洞的事件边界区域变成一个高温区域？如果事实的确如此，那么这就将与爱因斯坦的广义相对论中相关原理相抵触。因为假如黑洞的事件边界的确是一个温度极高的区域，那么当一位观察者落入黑洞时就会在事件边界附近被烧死，而根据爱因斯坦的广义相对论，一名观察者在穿过黑洞的事件边界时应当不会经历任何环境的突然变化。

　　霍森菲尔德表示：“如果真空存在不同的状态，那么你就可以将信息传递给霍金辐射，同时不需要在事件边界附近耗费任何能量，这样一来黑洞火墙也就不会存在了。”(晨风)

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