科学家:量子毛发理论可解决霍金黑洞悖论

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【大纪元2022年03月22日讯】(大纪元记者高文森编译报导)一组科学家宣称他们终于解决了困扰物理学家几十年的、关于黑洞的一个悖论。

黑洞可以说是人们所知道的宇宙中最奇特、最极端的天体。科学家认为它们是大质量恒星寿命到终点以后坍塌而形成的。黑洞有着巨大的引力,靠近它的任何物质都会被它吸收,甚至包括光线。

上世纪70年代左右,已故知名物理学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和同事有一项发现,给物理学家留下一个关于黑洞的巨大谜题。他们的发现简称为“霍金辐射”(Hawking Radiation)理论,意思是说黑洞会以微弱的光辐射的形式泄漏它的能量。随着时间的流逝,黑洞的能量最终会漏光,黑洞也就彻底消失了。

这项发现为什么会成为巨大的谜题呢?因为科学家进行的各种计算显示,“霍金辐射”的能量无法被用来探知黑洞里面任何信息。换句话说,当黑洞最终消失的时候,这意味着这个黑洞曾经吞噬过的任何物质和信息就随之完全消失了。

可是这与量子理论是矛盾的。量子力学理论是当代物理学的重要支柱之一,能够很好地解释大量宇宙基础层面的物理现象。量子力学认为,宇宙中任何信息永远都不会消失。麻省理工学院(MIT)的研究者对此的阐释是,一个观测者只要知道任何一个系统现在的状况,就有办法知道这个系统过去和未来的一切信息。

这个矛盾就是著名的黑洞信息悖论。这个矛盾最令科学家懊恼的地方在于,这说明量子力学和相对论有一方存在问题,而这两个理论是现代物理学最重要的两个理论支柱。

3月17日发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)的一份研究称,他们终于解决了这个矛盾——终于能把量子力学和相对论联系起来。

这份研究由来自英国、意大利和美国的科学家合作完成。研究者发现,其实通过黑洞外在的特性可以探查出黑洞内部的信息,他们把这称为“毛发理论”。这是相对于在此之前知名的黑洞“无毛理论”(no-hair theorem)而言的说法。“无毛理论”认为,从外在的特征只能探知黑洞的质量、电荷和角动量三个特性。

这份研究完成的计算认为,从外在特征还是可以推测更多黑洞的信息。他们发现,落入黑洞的物质在黑洞的引力场会留下特定的印记。也就是说,这些印记保留了这些物质的信息。

这项发现的重要意义在于,量子力学和引力学在黑洞这个悖论的问题上没有矛盾,终于可以联系起来。主要研究者之一英国萨塞克斯大学(University of Sussex)的泽维尔·卡尔梅特(Xavier Calmet)告诉卫报(The Guardian):“我们的研究显示,两个理论关于黑洞进行的计算是一致的,能够解释信息的储存,而不需要提出新理论。”

卡尔梅特坦承,这项发现很“重磅”,科学界尚需要一些时间去接受它。◇#

责任编辑:叶紫微

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