霍金走了,但是他留下的关于黑洞之谜依然困扰着世界

2018年3月14日,最为著名的物理学家之一,英国剑桥大学的史蒂芬·霍金,离开了人世。霍金的一生可谓传奇,他在读研究生的时候患上了渐冻症,在这之后他获得了宇宙学方向的博士学位,并在宇宙学和天体物理方面做出了诸多成就。

霍金走了,但是他留下的关于黑洞之谜依然困扰着世界

此外,霍金撰写的科普著作《时间简史》更是吸引了大批的读者。很多读者尽管没有看懂这本书,甚至连里面经常出现的"奇点"的正确发音都不知道,却总是经常在日常对话或者微信朋友圈里面提及这本书的名字以显示自己涉猎广泛,学识渊博。

霍金最为辉煌的成就在于对黑洞的研究方面,其中最令人惊讶的一个发现是所谓的"霍金辐射":黑洞会通过量子力学效应发生"蒸发",从而损失质量,而且越轻的黑洞蒸发得越快。1981年的时候,霍金更是提出了一个黑洞信息佯谬,也就是如果黑洞持续失去质量,直到最后蒸发殆尽,那么曾经落入黑洞的事物的信息将会永远消失,这破坏了量子力学基本原理之一的所谓幺正性,即当前状态保持了过去的所有信息。

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在2004年的时候,物理学家们以为他们已经解决了这个佯谬。他们发明了一个称为黑洞互补性的一个概念。根据这个理论,通过黑洞的事件视界的信息同时被反射回去和穿过视界。由于同一观测者不能既处于黑洞之外又处于黑洞之内,从而无法同时看到这两种情况,因此不会导致矛盾。

然而,在2012年,这个佯谬的新版本出现了。传统理论通常认为,当一个观测者穿过视界进入黑洞,向奇点落过去的过程中会被强大的引力撕碎。而新的理论则提出黑洞的事件视界是一个防火墙,观测者在遇上它时就会被毁灭,从而无法看到黑洞内部。

这个防火墙理论为传统理论的三大假设提出了挑战。第一个是关于爱因斯坦广义相对论的等效原理,即引力的加速度和火箭的加速度没有区别,那么一个穿越事件视界的宇航员不会感觉到任何异常。第二个则是量子力学的幺正性,信息不会被销毁。第三点则是局域性,也就是空间任何点发生的事件只会影响其邻近的点。物理规律在远离黑洞的地方起作用,与它在黑洞边界或内部哪个地方不起作用没有关系。

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为了解决这个佯谬,这三大假设中的一个必须被放弃。问题是,该放弃哪一个?近年来,物理学家提出了多种解决方式。霍金本人在2014年的一篇没有公式的论文里面猜想,可能我们应该重新考虑事件视界的定义,他提出,也许存在一个所谓的"表观视界",信息仅仅是暂时被禁锢在其之后,而有着机会逃出。

2013年的时候,斯坦福大学的物理学家提出了量子力学里面的纠缠可能创造出不可见的微观虫洞,它们将遥远的空间点联系在一起。这种虫洞也可能将黑洞内部同霍金辐射联系在一起,从而避免了粒子穿越黑洞视界的信息损失。

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然而到目前为止,这些理论上的猜想一个都没有得到证实或者证否。霍金留下的黑洞之谜还会在相当长的时间里困扰着人类。


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