“量子毛发”可能解决了霍金的黑洞悖论

Original 光子盒研究院光子盒 2023-11-30

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斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的黑洞信息悖论困扰了科学家半个世纪，并导致一些人质疑物理学的基本定律。现在，英国萨塞克斯大学的物理学家表示，他们可能已经解决了这个著名的问题，他们证明了黑洞具有一种被称为“量子毛发”(quantum hair)的性质。

如果正确的话，这将标志着理论物理学的一个重大进步。

领导这项研究的萨赛克斯大学的Xavier Calmet教授说，在研究这个问题背后的数学10年后，他的团队去年取得了快速进展，这给了他们最终解决这个问题的信心。

Calmet说：“科学界普遍认为，解决这一悖论需要物理学的巨大范式转变，迫使量子力学或广义相对论的潜在重构。我们发现——我认为特别令人兴奋的是——这是没有必要的。”

霍金的黑洞悖论可以归结为以下内容：量子物理学定律表明信息是守恒的。黑洞对这条定律提出了挑战，因为一旦一个物体进入黑洞，它基本上就永远消失了——以及其中编码的任何信息。霍金发现了这个悖论，几十年来，它一直困扰着科学家。

2019年Event Horizon望远镜拍摄到了M87星系中心黑洞周围光线的图像

人们提出了无数的解决方案，包括“防火墙理论”，其中假设信息在进入黑洞之前已经燃烧殆尽，在“毛毛球理论”(fuzzball theory)中黑洞被认为有模糊的边界，以及弦理论的各种奇异分支。

但是这些提议中的大部分都需要改写量子力学定律或爱因斯坦的引力理论，这是现代物理学的两大支柱。

相比之下，量子毛发定理声称通过使用新的数学公式弥合广义相对论和量子力学之间的鸿沟来解决这一悖论。

这个名字是对基于经典物理学的观点的认可，即黑洞可以被视为令人惊讶的简单物体，仅由它们的质量和旋转速度来定义。自20世纪70年代以来，对光秃秃、无特征的黑洞的预测被戏称为“无毛定理”(No-hair theorem)。

Calmet和他的合作者认为黑洞更复杂——或者说更多毛。他们认为，当物质坍缩成黑洞时，它会在引力场中留下一个微弱的印记。

这一印记被称为“量子毛发”，作者说，它将提供一种机制，在黑洞坍缩过程中信息得以保存。根据这个理论，两个质量和半径相同，但内部组成不同的黑洞，其引力场会有非常微妙的差异。

Calmet说：“我们的解决方案不需要任何推测性的想法；相反，我们的研究表明，这两种理论可以用来对黑洞进行一致的计算，并解释信息是如何存储的，而不需要激进的新物理学理论。”

目前没有明显的方法通过天文观测来检验这个理论，因为引力波动太小，无法测量。但这个理论可能会受到理论界的严格审查。

帝国理工学院的理论物理学家Toby Wiseman教授称这篇论文是“一项很好的工作”，但仍不相信它解决了几十年来的悖论。

他说，至关重要的是，这篇论文表明，或许有可能获得一些关于黑洞内部的额外信息，但是没有表明这种现象可以解释显然丢失的全部信息。“他们没有表现出来，这就是矛盾的症结所在，”他说。

他说：“我的感觉是，想要真正解决这个悖论，你必须充分理解量子力学和引力是如何结合在一起的。他们正在寻找小的修正，但不是两者的完全结合。”

Calmet说：“当你有一个大的主张时，你必须支持它。人们需要一段时间才能完全接受它。这个悖论已经存在很长时间了，世界各地都有非常著名的人多年来一直在研究这个问题。”

这项研究发表在《物理评论快报》[1]杂志上。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.111301

[2]https://www.theguardian.com/science/2022/mar/17/quantum-hair-could-resolve-stephen-hawking-black-hole-paradox-say-scientists

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