科学家们可能已经解决了斯蒂芬·霍金的黑洞悖论

诸平

Credit: CC0 Public Domain

据物理学家组织网（phys.org）2022年3月18日报道，科学家们可能已经解决了斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的黑洞悖论（Scientists may have solved Stephen Hawking's black hole paradox）。斯蒂芬·霍金教授著名的黑洞悖论（black hole paradox）这个谜题，困扰了科学家近半个世纪。

根据两项新的研究，一种叫做“量子毛发（quantum hair）”的东西是这个问题的答案。

2022年3月17日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上的第一篇论文——Xavier Calmet, Roberto Casadio, Stephen D. H. Hsu, Folkert Kuipers. Quantum Hair from Gravity. Physical Review Letters, 2022, 128: 111301. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.111301. Published 17 March 2022. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.111301.在此文中，研究人员证明，黑洞（black holes）比最初想象的要复杂得多，它的引力场（gravitational fields）包含了它们如何形成的信息。

研究人员表示，物质坍缩到黑洞中会在其引力场中留下一个印记，这个印记被称为“量子毛发”。

在另一份期刊《物理快报B》(Physics Letters B)发表的后续论文，实际上2022年2月25日已经在其网站发表——Xavier Calmet, Stephen D. H. Hsub. Quantum hair and black hole information. Physics Letters B, 2022, 827: 136995. DOI: 10.1016/j.physletb.2022.136995. Available online 25 February 2022. Published 10 April 2022. https://doi.org/10.1016/j.physletb.2022.136995. 其中，英国苏塞克斯大学数学和物理科学学院（University of Sussex's School of Mathematical and Physical Sciences）的泽维尔·卡尔梅特（Xavier Calmet）教授和美国密歇根州立大学（Michigan State University）的斯蒂芬·舒（Stephen Hsu）教授表示，量子毛发解决了霍金的黑洞信息悖论（Hawking's Black Hole Information Paradox）。

1976年，霍金提出，当黑洞蒸发时，它们会破坏关于形成它们的物质的信息。

这种想法违背了量子力学（quantum mechanics）的基本定律，量子力学认为物理中的任何过程都可以在数学上逆转。

20世纪60年代，物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)在讨论黑洞除了总质量、旋转和电荷之外，缺乏可观测特征时，创造了“黑洞没有毛发（black holes have no hair）”这个说法，即无毛定理（the no-hair theorem）。

然而，专家表示，新发现的“量子毛发”为信息在黑洞坍塌时保存提供了一种方法，也因此解决了现代科学最著名的困境之一。

泽维尔·卡尔梅特教授说:“长期以来，黑洞一直被认为是研究如何将爱因斯坦的广义相对论与量子力学相结合的完美实验室。科学界（scientific community）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新表述。我们的发现，我认为特别令人兴奋的是，这是没有必要的。”

解释 “量子毛发”的发现，意大利博洛尼亚大学（University of Bologna）理论物理学教授罗伯托·卡莎迪欧（Roberto Casadio）说:“一个至关重要的方面是,黑洞是由紧凑的对象形成的,然后,根据量子理论（quantum theory）, 黑洞的内部和外部之间没有绝对的分离。”

“在经典理论（classical theory）中，视界（horizon）就像一个完美的单向膜，不会让任何东西流出，因此对于给定质量的所有黑洞来说，其外部都是一样的。这是经典的无毛定理（classical no-hair theorem），”罗伯托·卡莎迪欧补充道。

“然而，在量子理论中，坍缩并形成黑洞的物质的状态继续影响着外部的状态，尽管是以一种与目前的实验界限兼容的方式。这就是所谓的‘量子毛发（quantum hair）’”。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Wormholes help resolve black hole information paradox

Abstract (DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.111301)

We explore the relationship between the quantum state of a compact matter source and of its asymptotic graviton field. For a matter source in an energy eigenstate, the graviton state is determined at leading order by the energy eigenvalue. Insofar as there are no accidental energy degeneracies there is a one to one map between graviton states on the boundary of spacetime and the matter source states. Effective field theory allows us to compute a purely quantum gravitational effect which causes the subleading asymptotic behavior of the graviton state to depend on the internal structure of the source. This establishes the existence of ubiquitous quantum hair due to gravitational effects.

Abstract (DOI: 10.1016/j.physletb.2022.136995)

It has been shown that the quantum state of the graviton field outside a black hole horizon carries information about the internal state of the hole. We explain how this allows unitary evaporation: the final radiation state is a complex superposition which depends linearly on the initial black hole state. Under time reversal, the radiation state evolves back to the original black hole quantum state. Formulations of the information paradox on a fixed semiclassical geometry describe only a small subset of the evaporation Hilbert space, and do not exclude overall unitarity.