霍金生前最後論文完成 解開「黑洞信息悖論」之謎

林思怡 2018年10月12日 07:01:00

英國知名物理學家史蒂芬霍金。(湯森路透)

英國知名物理學家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)一生致力研究逾40年的「黑洞信息悖論(black hole information paradox)」,由英國劍橋大學和美國哈佛大學等教授組成的團隊3日發布最新一份報告,該報告指出信息進入黑洞後不會完全遺失。

 

黑洞信息悖論與愛因斯坦(Albert Einstein)1915年提出的廣義相對論(general relativity)有關,而史帝芬·霍金1970年代起投入研究黑洞後,於1975年提出霍金輻射(Hawking radiation)將導致黑洞蒸發而消失,輻射出來的粒子也不會攜帶任何黑洞內部的線索,導致其中的資訊將永遠消失。

 

不過霍金之後推翻自己的說法,在一篇論文當中提到黑洞的「事件視界 (event horizon)」的量子微擾可能可以允許資訊從黑洞中逃出。現在霍金的研究團隊認為,黑洞的熵 (entropy)可能會被環繞在「事件視界」邊緣的光子(photon)所留存下來。

 

 

黑洞的柔軟毛髮

 

霍金1971年發表了3篇論文,第2篇論文部分證明了美國物理學者惠勒(John Wheeler)的無毛定理,意即黑洞只具有質量、角動量、電荷這3種性質,其他的信息則全數喪失。

 

所謂黑洞的「柔軟毛髮(soft hair)」指的是黑洞「事件視界」邊緣的光子,那些光子可能儲存了黑洞的熵值。霍金等人研究黑洞的「柔軟毛髮」,為的是解決一個懸疑半世紀的悖論:物質掉進黑洞後,資訊去哪了?

 

 

根據這份最新報告,霍金與團隊成員認為「柔軟毛髮」可以儲存黑洞熵,並提供了計算方式。不過這項報告還不是此悖論的終點,團隊裡的劍橋大學教授佩里(Malcolm Perry)表示,「我們不知道黑洞熵是否包含了進入黑洞的物體的所有資訊,所以這只是長征的第一步。」

 

除此之外,佩里與團隊成員還要需要解釋,這些資訊是如何被保存在「柔軟毛髮」中,以及如何在黑洞蒸發時逃逸出來。佩里表示即使「柔軟毛髮」儲存了99%的信息也不算是解決黑洞信息悖論,強調他們必須找出信息「百分百」留存下來的證明。

 

假設有待論證

 

史蒂芬·霍金3月14日於英國過世。就在霍金逝世的前幾天,佩里還在哈佛與同事斯特明格(Andrew Strominger)一起工作。那時佩里不知道霍金將走至人生盡頭,致電給他告知最新進展。佩里事後回想,那可能是霍金生前最後一次學術交流。

 

「要跟史蒂芬對話很困難,我開著擴音器解釋最新進展,他只給了一個大大的微笑。我告訴他我們得到一定成果,而他知道最終結果了。」佩里回憶道。

 

 

霍金的學生、英國南安普敦大學(Southampton University)教授泰勒(Marika Taylor)說,「論文裡做了很多假設,接下去他們必須要證明這些假設是有理的。」

 

美國普林斯頓高等研究院的理論物理學者麥德席納(Juan Maldacena)也說道,「霍金指出黑洞是有溫度的。我們都知道一般物體的溫度與系統的微觀組成的運動有關,比如氣體分子運動得越快,氣溫就越高。黑洞中的這些微觀成分是什麼還不清楚,也不知道它們是如何存在於黑洞視界的。」

 

 

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