黑洞蒸發後信息會泄露？霍金再次修正黑洞理論

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【12人探索】6月11日消息，自黑洞被發現以來，霍金等物理學家對黑洞理論進行了數次修正，我們也越來越接近真相。進日，霍金再一次修改了以往有關黑洞的定義，他認為，被黑洞吸走的物質是可以逃出來的。

當黑洞因為質量喪失而蒸發消失後，掉入黑洞中的信息會去哪裡?這一直是物理學界爭論不休的問題。40多年前，斯蒂芬·霍金首次提出，信息會隨著黑洞蒸發而丟失，這一理論被稱為黑洞的信息悖論。由於該結論與標準量子物理學定律不符，一直存在爭議。

近日，一項由霍金以及其劍橋大學同事馬爾科姆·佩里(Malcolm Perry)、哈佛大學教授安德魯·斯特羅明格(Andrew Strominger)共同發布的研究指出，「黑洞信息悖論」存在錯誤，黑洞可能擁有「柔軟毛髮」，當黑洞蒸發時攜帶信息逃逸出來。論文發表在最新一期的《物理評論快報》( Physical Review Letters)上，雖然研究結果沒有完全解決「黑洞信息悖論」的問題，但指明了一種可能的研究方向。

2根據愛因斯坦的廣義相對論，靜止的黑洞由三項可觀測的參數決定：質量、電荷和角動量。只要一個物體變成了一顆黑洞或者掉進了黑洞，除這三個物理量外的一切信息都會消失在黑洞的視界之中。物理學家約翰·惠勒(John Wheeler)用「黑洞沒有毛髮」來形容這一理論。

1975年，霍金研究了一個黑洞附近量子物質的行為，結果表明黑洞並不是真正的黑色，黑洞輻射粒子，就像一個熱的物體發出熱量一樣，被稱為「霍金輻射」。如果沒有物體持續掉入黑洞，通過這種「霍金輻射」的能量損失將導致黑洞質量減少並最終蒸發消失。這也引發了一個問題，存儲在黑洞中的信息去哪裡了呢?由於「霍金輻射」來自黑洞表面，霍金認為信息也將丟失。

2但是到了1990年代末，隨著物理學的發展，特別是弦理論的發展，很多研究人員認為，掉入黑洞中的信息會在黑洞消失時逃逸出來，但是他們並不清楚信息如何逃逸。那麼霍金最開始認為信息丟失的理論有什麼錯誤的地方?這項霍金等人的最新研究提供了可能的答案。

研究指出，讓霍金得出「黑洞信息悖論」的兩個基本假設有問題。第一個是量子引力中的真空是獨一無二的，第二個是黑洞沒有「毛髮」。相反，他們認為黑洞所在的真空環境實際上不可能是完全真空的，而且黑洞中有「柔軟毛髮」——與低能量量子有關的「量子毛髮」。

這些低能量，甚至零能量的軟粒子堆積在黑洞邊緣，它能夠捕獲和儲存從落入黑洞的粒子里獲得的信息。這意味著雖然落入黑洞的粒子可能消失，但它們的信息將繼續留存在視界邊緣的這些「量子毛髮」上。

1斯特羅明格在2014年研究另一個問題時受到了啟發。他發現無窮多守恆律能管理引力子的散射。隨後，在與學生進行的一項研究中，他發現這一結果也適用於電磁場。目前，他與霍金和佩里合作，將這一遠見用到了黑洞中。在用方程式計算完畢後，斯特羅明格和霍金等人發現，在加入軟粒子後，黑洞真空在能量不變的情況下，角動量會發生變化。

但是斯特羅明格也指出，他們的最新論文並沒有解決「黑洞信息悖論」。首先，必須針對引力場重新進行分析，而不僅僅是電磁場。他們正在努力嘗試。初步計算表明，純粹的引力情況下也能得到相似的結果。更重要的是，他們提出的柔軟毛髮或許並不足以捕獲所有掉進黑洞的信息，也就無法解釋當黑洞消失時，所有信息是如何恢復的，因為並不清楚是否所有的信息都可以被傳輸到柔軟毛髮上。然而，可以肯定的是，通過這項研究的路徑，進一步的研究將揭開更多毛髮類型，可能最終將解決「黑洞信息悖論」。

霍金之前也曾說過類似的預言，他認為黑洞是可以死亡的，他們在吞噬的時候，也面臨著萎縮消失。

長期以來，科學家們一直認為，當一個黑洞死亡時，其內部的一切事物也都將隨之消亡。「霍金輻射」理論認為，黑洞應該有能力產生熱量並釋放亞原子粒子，直到它們能量完全耗盡，這一過程就是所謂的「霍金輻射」。霍金還指出，黑洞並不是完全黑暗的，它們也不會永遠存在。

在1974年的聲明中，霍金解釋了黑洞周圍的強大引力場是如何對粒子與反粒子之間配對的形成產生影響的，就像量子理論中真空中時時發生的情形那樣。如果粒子恰好形成於黑洞表面外側，那麼粒子對中正粒子就有可能逃離。在觀測中，它們可能是以熱輻射的形式從黑洞發射出來。同時，反粒子則跌入黑洞之中。通過這種方式，黑洞逐漸損失質量。

去年，以色列理工學院物理學家傑夫-斯坦豪爾在實驗室中再造了黑洞環境，用於研究粒子在黑洞邊界的行為。這個邊界其實就相當於黑洞表面。在實驗中，斯坦豪爾發現形成聲波的能量確實會從黑洞中泄露出來。這與霍金的預言相一致。

近期，美國密歇根州立大學天文與物理學家克里斯-阿達米帶領研究團隊提出了一項新理論。根據這種新理論，他們可以對黑洞相當長的生命周期進行深入研究。研究人員認為，黑洞表面後方的各種信息及所有事物都不是立即消失，而是在黑洞蒸發的後期慢慢泄露出去。他們將霍金輻射理論與數學工具及高性能計算機結合起來創建一個模型，用於顯示各種信息進出黑洞時的情形。

模擬與計算結果表明，一切都慢慢消失了。這一現象違背了物理學定律，許多關於黑洞蒸發的矛盾現象無法得以解釋。阿達米表示，「這一問題從來沒有得到解決，因為霍金的計算結果無法驗證霍金輻射的效果。物理學家假設，隨著霍金輻射帶走黑洞所有的質量，黑洞會逐漸萎縮。但是，沒有人能夠通過數學計算來驗證這一理論。」

長期以來，人們一直認為當黑洞萎縮到最小化時，其內部的一切事物都將消亡，因此所有的量子信息不可能隱藏於黑洞表面之後。阿達米等人的研究成果對這一傳統觀點提出了挑戰。但是，阿達米和斯坦豪爾等人沒有提出量子引力理論，他們只是採用霍金的理論。這樣，他們就可以全面理解黑洞究竟是如何與霍金輻射交互的。阿達米解釋說，「為了完成這項計算，我們不得不猜測黑洞是如何與自己周圍的霍金輻射場交互的。這是因為目前還沒有能夠解釋這種交互行為的量子引力理論。

然而，實驗證明我們做出了一個很好的猜測，因為在固定、不可變的黑洞界限中我們的模型與霍金理論相一致。」阿達米研究團隊成員、渥太華大學科學家卡米爾-布拉德勒表示，「當然，我們的模型僅僅是一個模型。但是，我們能夠證明黑洞與霍金輻射之間的任何量子交互都非常有可能與我們的模型具有同樣的屬性。」

關於黑洞物理學的證明，有一個著名的理論--「培基曲線」理論。「培基曲線」理論以加拿大阿爾伯塔大學物理學家唐-培基之名命名，培基曾經預言了這種可以呈現最初進入黑洞然後又離開黑洞的量子信息曲線。阿達米和布拉德勒通過初步計算再現了類似的曲線。在本年度的里思講座中，霍金曾經表示如果這一理論能夠得以證明，他有望獲得諾貝爾獎。

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