“量子毛发”理论或可解决霍金黑洞悖论

• 2022-03-21 05:51:02 来源：科技日报

几十年来，斯蒂芬霍金的悖论一直困扰着科学家。图片来源：Triton/Kobal/Shutterstock/Sky 纪录片

科技日报实习记者 张佳欣

英国理论物理学家斯蒂芬·霍金提出的黑洞悖论困扰了科学家半个世纪，也导致一些人质疑物理学中的两大支柱理论——相对论和量子力学。现在，来自英国苏塞克斯大学科学家们说，他们可能已经通过证明黑洞具有一种被称为“量子毛发”的特性解决了这一问题。如果正确，这将标志着理论物理学的重大进步。

苏塞克斯大学的泽维尔·卡尔梅特教授领导了这项研究，“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进行潜在的重新表述。”他说，“我们发现，这是没有必要的。”

霍金提出的悖论可以如此理解：量子物理规则规定，信息是守恒的，然而黑洞对这一定律构成了挑战，因为一旦物体进入黑洞，该物体及其中编码的任何信息基本上就会永远消失，不知去向。

科学家们已经提出无数解决方案，包括假设信息在进入黑洞之前被完全消灭的“防火墙理论”、被认为是黑洞边界模糊的“模糊球理论”，以及弦理论的各种奇异分支等。但这些建议中的大多数都需要重写量子力学定律或爱因斯坦的引力理论，而这将撼动现代物理学的两大支柱。

相比之下，卡尔梅特在近期《物理评论快报》杂志上提出“量子毛发”定理，声称其通过使用一种新的数学公式来弥合广义相对论和量子力学之间的差距，从而解决了这一悖论。

“量子毛发”是对基于经典物理学的一种观点的认可，即黑洞可被视为极其简单的物体，如果知道了它的质量、角动量和电荷，也就知道了有关它的一切。当黑洞形成后，其他一切信息（“毛发”）都丧失了。而自20世纪70年代以来，科学家就用“无毛定理”来打趣“光秃秃的”、没有特征的黑洞。

卡尔梅特及其合作者认为，黑洞其实是更复杂，或者说是“毛茸茸的”。他们认为，当物质坍塌成黑洞时，它会在引力场中留下微弱的印记。这一印记被称为“量子毛发”，它将提供在黑洞坍塌过程中保存信息的机制。根据这一理论，两个质量和半径相同、但内部组成不同的黑洞，其引力场会有非常细微的差异。

“我们的解决方案不需要任何猜测；相反，我们的研究表明，这两个理论可用来对黑洞进行一致的计算，并解释信息是如何存储的，而不需要某些激进的新物理学。”卡尔梅特说。

不过，目前尚未有明确方法通过天文观测来检验这一理论，因为引力波动太小而不易测量。但这一理论可能会受到严格审查。

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