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新濠天地网上娱乐下载-霍金生前最后一篇论文发表!是什么问题让他牵挂了40年?

新濠天地网上娱乐下载,斯蒂芬·霍金(stephen hawking)毕生致力于解决一个问题:物体落入黑洞后,它们包含的信息去哪儿了?

在今年3月霍金去世前几天,霍金和他的几位同事完成了一项研究,旨在破解理论物理学家所说的“黑洞信息悖论”。现在,他的同事整理发表了这位已故宇宙学家的最后一篇科学论文《黑洞熵与软毛发》(black hole entropy and soft hair)。

剑桥大学理论物理学教授、该论文合著者马尔科姆·佩里(malcolm perry)说,黑洞信息悖论是40多年来“霍金的生活重心”。

这个悖论的起源可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦(albert einstein)。1915年,爱因斯坦发表广义相对论,描述了物质的时空弯曲效应如何产生引力,以及行星为什么围绕太阳旋转。但爱因斯坦的理论也作出了关于黑洞的重要预测,尤其是只用三个特征就能完全定义一个黑洞。这三个特征分别是质量、电荷和旋转。

近60年后,霍金又添加了一个特征。他认为黑洞也有温度。由于热的物体会向太空散热,黑洞的最终命运将是逐渐蒸发,不复存在。

但这产生了一个问题。

按照量子世界的法则,信息是永不消失的。那么,一个物体落入黑洞后,该物体包含的所有信息去哪儿了?

“如果你把一个物体扔进黑洞,它似乎消失了。”佩里说,“要是黑洞本身也消失了,怎么重新获得那个物体包含的信息?”

在最后一篇论文中,霍金和同事们论证了至少部分信息或许可以被保存下来的方法。把一个物体扔进黑洞,黑洞的温度应该会改变,一种名为熵的属性也会随之改变。熵是物体内部混乱程度的度量值,物体越热,熵值越高。

剑桥大学的萨沙·哈科(sasha haco)和哈佛大学的安德鲁·斯特鲁明格(andrew strominger)等人认为,黑洞事件视界边缘的光子,也许记录了黑洞的熵值。一旦进入事件视界,光就无法逃逸。他们把这些光子称为“软毛发”。

佩里说,“这篇论文证明,‘软毛发’可以对黑洞的熵值做出解释。”

然而,黑洞信息悖论并没有就此完全解开。

“我们不知道霍金熵是否适用于落入黑洞的一切物质,所以这项研究只是向前迈出的一步而已。”佩里说,“我们认为这一步很重要,不过还有很多工作要做。”

霍金去世前几天,佩里和斯特鲁明格正在撰写这篇论文。佩里当时不知道霍金病得有多严重,于是打电话去告诉他最新情况。这可能是霍金进行的最后一次学术交流。

“霍金跟人交流起来十分困难,我开着扬声器,向他解释我们的进展。听我说话的时候,他的脸上出现了大大的笑容。我告诉他,我们已经有了进展。他知道最后的结果。”

马尔科姆·佩里(malcolm perry)

软毛发如何储存与熵有关的信息?

当黑洞蒸发时,那些信息是如何从黑洞里出来的?这些都是佩里和同事们现在要探索的未知问题。

“如果把一个物体扔进去,关于该物体的所有信息是否都储存在黑洞的视界上?”佩里说,“要解决黑洞信息悖论,就必须解决这个问题。哪怕解决了一半乃至99%,都不算解决了黑洞信息悖论。”

“这篇论文是向前迈出的一步,但绝不是全部的答案。相比以前,现在的问题略微少了一些,但肯定还有一些令人费解的问题需要解决。”

南安普顿大学理论物理学教授、霍金曾经的学生玛丽卡·泰勒(marika taylor)说,“从微观层面上了解黑洞熵的起源,是过去40年间的一大难题。”

“这篇论文提出了一种方法,根据事件视界的对称性来了解黑洞熵。作者们提出了几个特殊的假设,所以下一步将是验证这些假设。”

爱因斯坦母校、普林斯顿高等研究院的理论物理学家胡安·马尔达西那(juan maldacena)说,“霍金发现,黑洞也有温度。对于普通物体,我们知道,温度源自系统中微观成分的运动。例如,空气之所以有温度,是因为分子的运动。运动速度越快,温度越高。”

“对于黑洞,我们不知道那些微观成分是什么,也不知道它们是否与黑洞的视界有关。在某些具有特殊对称性的物理系统中,就这些对称性而言,是可以计算热属性的。这篇论文表明,在黑洞视界周围,存在这种特殊的对称性。”

作为霍金生前最后一篇论文的合著者,剑桥大学理论物理学教授马尔科姆·佩里亲自执笔,向我们解释:为什么说这篇论文有助于解开一个悬而未决的宇宙谜团。

以下为佩里的原文:

艺术想象图:一颗正被黑洞撕裂的恒星。 当今基础理论物理学中,最让人费解的,也许要数黑洞信息悖论了。43年前,霍金就发现了这个悖论;但时至今日,它依然让人困惑不解。

从2015年开始,斯蒂芬·霍金、安德鲁·斯特鲁明格和我,我们三个人开始思索:能否对困惑背后的基本假设,展开一番质疑,进而从新的角度去理解黑洞信息悖论。

2016年,我们围绕这一课题,发表了第一篇论文,后来研究一直在继续。

最新成果刚刚发表,或许,这也是霍金参与的最后一篇论文。虽然,我们并没有解决信息悖论,但我们希望,它能为最终解答铺平道路,我们也在持续推进相关研究。

物理学的意义,是能根据当下,预测未来。

举个例子,你抛出一个球,只要知道初始位置和速度,你就能通过计算,得出它未来的位置。这类推理对经典物理学管用,但对微观事物,比如原子和电子,物理学法则就要根据量子力学,进行调整了。

在量子力学中,你只能计算各类事件发生的概率,而无法描述准确的结果。还是以抛球为例,你无法预测它的确切轨迹,只能根据初始条件,计算出它落在某一点的概率。

霍金发现,在黑洞物理学中,不确定性似乎比量子力学还要大。然而,这似乎让人完全无法接受,因为这样一来,很多物理学法则会被打破。对于黑洞的未来,我们将丧失任何预测的能力。

这也许不重要,但有一点:黑洞是真实存在的天体。很多星系的中心,都存在着巨大的黑洞。这是已知的,因为针对银河系中心的观测显示,那里有一个致密的天体,其质量是太阳的数百万倍,质量如此密集的天体,只可能是黑洞。

另外,在距我们非常遥远的星系内,有一种极度明亮的天体,名为类星体;物质在落向黑洞的过程中,释放出巨大能量,才形成这种天体。最近,激光干涉引力波天文台(ligo)又发现了黑洞撞击产生的时空波动,即引力波。

问题的根源在于,人们曾以为,质量和自旋就是黑洞的全部。一个东西一旦被扔进黑洞,你就再也不知道它当初是什么了。

有一句话精辟地概括了这一点:“黑洞无毛。”

我们通常可以通过头发,识别不同的人,但黑洞似乎都是全秃。

早在1974年,霍金就发现,从行为来看,黑洞更像是“黑体”,而非完美的吸收体。温度是黑体的一种属性,而凡是有温度的天体,都能产生热辐射。

你去看医生,他们很可能拿一个仪器对着你,给你测量体温。这是一种红外传感器,通过探测人体热辐射来测量体温。火中烧热的金属会发光,就是因为它产生了热辐射。

黑洞也是一样。

它有自己的温度,并能产生热辐射。这一温度被称为霍金温度,它的公式就刻在西敏寺的霍金纪念碑上。

任何有温度的天体都有熵。

熵所度量的,是一个物体的微观构成可以有多少种组合方式,使该物体依然是那个物体。比如,对一块烧红的金属来说,构成它的原子有多少种组合方式,使它依然是你观察到的那块金属,这个组合方式的数值,就是它的熵。借助这个黑洞温度公式,霍金得以计算出黑洞的熵。

接下来的问题是:这个熵是怎么来的?鉴于所有黑洞看起来都一样,因此,信息悖论的核心,就是熵的源头问题。

我们之前发现了数学中的一个缺口,正是这个缺口,让我们相信,黑洞都是全秃。2016年,我们三人发现,黑洞拥有无限量的“软毛”。由此,我们开始质疑,黑洞真的打破物理学法则了吗?

霍金一直参与这项研究,直到生命的终点。现在,我们发表这篇论文,陈述了我们当前的理解。在论文中,我们描述了黑洞熵的一种计算方式。基本而言,熵就是黑洞除去质量和自旋后的另一种属性。

这并非信息悖论的最终解答,但我们认为,它提供了重大解题思路。

进一步的研究有待展开,但我们觉得斗志昂扬。在我们寻找能够与量子力学兼容的引力理论的过程中,信息悖论是一个绕不过去的坎。

在宏观层面上,爱因斯坦的广义相对论对时空和引力做了极为成功的描述。但在微观层面上,要解释物质的运动,离不开量子理论。在粒子物理学的“标准模型”下,除引力外,围绕其他很多力的理论都大获成功。比如,欧洲核子研究中心(cern)的大型强子对撞机发现希格斯玻色子,就印证了这些概念。

但如何将引力纳入这一体系?

对这个问题,我们依然束手无策。除了黑洞研究,霍金也曾进行其他探索,希望能将引力与自然界的其他力统一起来,从而把爱因斯坦的理论与量子理论统一起来。我们的黑洞研究也为解答后一个谜团提供了思路。

若是霍金依然在世,看到这些持续了半个世纪的谜团有望解开,他定会和我们一样激动。

翻译:于波 丁盈幸

校对:薛磊

编辑:李莉

来源:the guardian

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