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科學家:量子毛髮理論可解決霍金黑洞悖論


一組科學家宣稱他們終於解決了困擾物理學家幾十年的、關於黑洞的一個悖論。

黑洞可以說是人們所知道的宇宙中最奇特、最極端的天體。科學家認為它們是大質量恆星壽命到終點以後坍塌而形成的。黑洞有著巨大的引力,靠近它的任何物質都會被它吸收,甚至包括光線。

上世紀70年代左右,已故知名物理學家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和同事有一項發現,給物理學家留下一個關於黑洞的巨大謎題。他們的發現簡稱為「霍金輻射」(Hawking Radiation)理論,意思是說黑洞會以微弱的光輻射的形式洩漏它的能量。隨著時間的流逝,黑洞的能量最終會漏光,黑洞也就徹底消失了。

這項發現為什麼會成為巨大的謎題呢?因為科學家進行的各種計算顯示,「霍金輻射」的能量無法被用來探知黑洞裡面任何信息。換句話說,當黑洞最終消失的時候,這意味著這個黑洞曾經吞噬過的任何物質和信息就隨之完全消失了。

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可是這與量子理論是矛盾的。量子力學理論是當代物理學的重要支柱之一,能夠很好地解釋大量宇宙基礎層面的物理現象。量子力學認為,宇宙中任何信息永遠都不會消失。麻省理工學院(MIT)的研究者對此的闡釋是,一個觀測者只要知道任何一個系統現在的狀況,就有辦法知道這個系統過去和未來的一切信息。

這個矛盾就是著名的黑洞信息悖論。這個矛盾最令科學家懊惱的地方在於,這說明量子力學和相對論有一方存在問題,而這兩個理論是現代物理學最重要的兩個理論支柱。

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發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)的一份研究稱,他們終於解決了這個矛盾——終於能把量子力學和相對論聯繫起來。

這份研究由來自英國、意大利和美國的科學家合作完成。研究者發現,其實通過黑洞外在的特性可以探查出黑洞內部的信息,他們把這稱為「毛髮理論」。這是相對於在此之前知名的黑洞「無毛理論」(no-hair theorem)而言的說法。「無毛理論」認為,從外在的特徵只能探知黑洞的質量、電荷和角動量三個特性。

這份研究完成的計算認為,從外在特徵還是可以推測更多黑洞的信息。他們發現,落入黑洞的物質在黑洞的引力場會留下特定的印記。也就是說,這些印記保留了這些物質的信息。

這項發現的重要意義在於,量子力學和引力學在黑洞這個悖論的問題上沒有矛盾,終於可以聯繫起來。主要研究者之一英國薩塞克斯大學(University of Sussex)的澤維爾·卡爾梅特(Xavier Calmet)告訴衛報(The Guardian):「我們的研究顯示,兩個理論關於黑洞進行的計算是一致的,能夠解釋信息的儲存,而不需要提出新理論。」

卡爾梅特坦承,這項發現很「重磅」,科學界尚需要一些時間去接受它。

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