時隔半年霍金「復活」,給黑洞選了個「泄密者」

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量極大的天體——黑洞。黑洞可由質量、電荷和自轉三個特徵完整定義。在這個「洞」中,光都很難「逃逸」,更遑論速度低於光速的其他物質。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,那麼被黑洞「吞噬」的物體所攜帶的信息,自然也就隨之消失了。

不過,吞噬所有物質和信息的黑洞,卻與物理學的另一基礎理論量子力學產生了矛盾。根據量子力學,一個物體的所有性質都由其狀態決定,物體的狀態則由波函數所表征。換言之,在獲得了物體在某一個具體時刻的波函數後,其此前或此後的任意時刻波函數,都能被當前波函數所決定。因此,物體的信息必須守恒。

這兩大理論得出的關於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台研究員、黑洞及其高能爆發現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,我們可以做到宇宙中熵的減少,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, 才促使霍金髮現了霍金輻射,而有了更讓人困惑的黑洞信息悖論。

合作夥伴「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·佩裡表示,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夥伴執筆。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,除了質量、電荷和自轉等三特徵外,黑洞應當還具有溫度這一特徵。

霍金認為,傳統的黑洞研究只考慮了廣義相對論。但如果「疊加」上量子力學,則會發現,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,有一瞬間產生的反粒子被黑洞吸收,那麼與該反粒子成對、本該同步湮滅的粒子則可能不會湮滅,而成為了一個持續存在的真實粒子。從外界的角度看,就類似於黑洞發射出了一個粒子。此即霍金輻射。從這一角度看,黑洞並非絕對黑,也並非一只「貔貅」。

茍利軍解釋說,根據經典廣義相對論,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。「但一旦考慮到有光子輻射出來,那麼黑洞就不再是一個沒有溫度的天體。」

天文學家過去認為,由於黑洞會不斷產生輻射並且散失到太空中,黑洞的終極命運將是徹底蒸發、消失於無形,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。它們來自黑洞蒸發過程中的輻射。霍金和同事們在此次新發表的論文中,對於「軟毛」如何攜帶熵信息進行了論證。「我們發現‘軟毛’確實能做到這一點。」馬爾科姆·佩裡說。

「如果沒有‘軟毛’,黑洞就會成為一個神秘莫測的球。」茍利軍說。雖然目前霍金的最後一篇遺作僅僅是徹底解決悖論的第一步,還需要很多後續的努力,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,而黑洞本身也並非獲得了所有科學家的認同。甚至,有少數科學家認為,世界或許從來沒有黑洞。天體物理學家曾提出過無數關於黑洞內部究竟長什麼樣的假設,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》期刊採訪時曾表示:「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,足以使恒星中的質子和中子衰變成光子氣體和其他基本粒子,同時產生所謂的「真空能液滴」。這些物質會形成「凝聚」態的時空,就像氣體在一定壓力下可以轉化為液體一樣。這些凝聚態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生相變的區域。

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僅為個位數。而相比之下,他在粒子物理學領域最熱門的論文引用次數多達600多次。