紀念霍金：以天才的智慧和堅韌的毅力探索神秘的黑洞

文：娟娟

作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者

霍金曾說，如果人生是無趣的，那麼它將是悲慘的。他用他的智慧展現了一個可以有趣、有意義的人生。

面對宇宙，人類顯得太渺小。然而，只要擁有無限的思想，宇宙對人的限制又似乎顯得微不足道。黑洞這種神秘的天體，有著太多的奧妙等待人類探索。3月14日，現代最偉大的物理學家之一斯蒂芬·霍金（Stephen William Hawking）去世，但是，他留下的有關黑洞的理論思想卻依然會綻放光芒。一篇文字無法盡述霍金的偉大，也無法囊括他有關黑洞的所有理論點。僅以一個小小的片段表達對這位偉大物理學家的崇敬和懷念。

對於霍金的理論，你不必認為他說的都正確，因為歷史已經充分告訴我們，天體物理學的發展，就是不斷提出理論、不斷印證理論和不斷推翻理論的過程。曾經牛頓定律被認為是真理，然而它並不適用於更廣袤的宇宙，廣義相對論的提出，解決了大量問題，然而在黑洞的研究方面，廣義相對論又與量子力學存在很多衝突。就連霍金自己也發現自己說錯了話，不僅被別人推翻了預言，自己也推翻了自己的理論。看，科學領域沒有一定之規。但它們都一個共同點，那就是前人的肩膀能讓我們站得更高，看得更遠，也能引發更多的思考。

一、霍金其人

霍金，1942年1月8日出生於英國牛津。霍金與他的父親一樣，都畢業於著名的牛津大學。起初，霍金想學習數學，可當時牛津大學沒有專門的數學系，因而他轉而選擇了物理（霍金的父親學習的是醫學）。經過短短3年時間，霍金就被授予自然科學一等榮譽學位。

由於當時在牛津沒有人研究宇宙學，於是霍金便去了劍橋大學進行宇宙學研究。獲得博士學位後，他先是作為一名研究員工作，然後又成為劍橋大學岡維爾與凱斯學院的教授研究員。1973年，他離開天文研究所；1979年，進入應用數學和理論物理系；從1979年至2009年，擔任盧卡斯數學教授的職位。現在，霍金的頭銜是，Dennis Stanton Avery和Sally Tsui Wong-Avery的應用數學和理論物理系研究主任，以及劍橋理論宇宙學中心的創始人。

1963年，年僅21歲的霍金不幸患上了運動神經元疾病，並被告知只剩下2年的壽命。但是他奇蹟般地活到了76歲，並且在病魔的折磨下，依然堅韌地進行學術研究，提出了大量重要理論。他被授予了十幾個榮譽學位，1982年被授予英國二等勛位爵士（the CBE）。他是英國皇家學會的成員，也是美國國家科學院的成員。霍金被認為是愛因斯坦以來最輝煌的理論物理學家之一。

除了撰寫了大量的專業學術論文，霍金也為普通讀者寫作科普讀物，例如《時間簡史》（A Briefer History of Time），《黑洞和嬰兒期的宇宙》（BlackHoles and Baby Universe），《果殼中的宇宙》（The Universe in a Nutshell）。有興趣的讀者可以找來看一看。

二、霍金的黑洞毛髮理論

2016年6月10日，在《物理評論快報》（PHYSICALREVIEW LETTERS）上，一篇重要的論文面世。這篇論文的題目是《黑洞上柔軟的毛髮》（Soft Hair on Black Holes），作者是Stephen W.Hawking（霍金），Malcolm J. Perry，和Andrew Strominger。大家可以在互聯網上查看這篇論文，論文鏈接是：

https://physics.aps.org/featured-article-pdf/10.1103/PhysRevLett.116.231301

這篇論文之所以非常重要，因為它挑戰了曾經人類對於黑洞的一些認知，並且提出了一個新的理論來解決曾經的一些問題。

40年前，霍金提出，黑洞可能會摧毀信息（information），這是一個與量子物理學的標準定律不相容的結論。這個結論開啟了一場著名的論戰，被稱為「黑洞信息問題」（black hole information problem），直到現在這個問題也沒有得到解決。

我們先簡單了解一下這個黑洞信息問題。根據愛因斯坦的廣義相對論，靜止的黑洞完全由三個可觀測的參數來決定：質量，電荷和角動量。廣義相對論也告訴了我們引力是如何與宇宙及其中的一切相互作用的。穿過黑洞的視界——這個有去無回的單向宇宙膜，似乎所有的信息都永遠消失了。換句話說，從外部來看，幾乎所有掉入黑洞的信息都是不可見的。物理學家惠勒（John Wheeler）曾用一個形象的比喻來描述這個觀點：「黑洞是沒有毛髮的（black holes have no hair）。」

20世紀70年代，霍金提出，宇宙充滿了「虛擬粒子」（virtual particles）。根據量子力學的理論，這些虛擬粒子彼此之間一旦接觸就會互相湮滅——除非它們恰巧出現在黑洞視界膜的兩邊。在這種情況下，一個粒子被黑洞吞噬了，另一個粒子則被輻射到空間中。逃離的輻射從黑洞中偷走了能量，因此隨著時間的推移黑洞會逐漸丟失質量，它最終會像蒸發一樣在宇宙中消失。

用霍金的話來說——黑洞並不真的是黑色的，黑洞就像一個熱的物體散發熱量那樣發出近熱輻射。如果沒有物質落入黑洞，通過霍金輻射（Hawking radiation）損失的能量將導致黑洞質量的減少，最終黑洞就會蒸發掉。——這就引起了一個問題：如果黑洞蒸發掉了，那麼黑洞內部儲存的所有信息到底會發生什麼樣的情況？由於霍金輻射來自黑洞的表面，這個表面僅僅由幾個參數決定，因此，當時霍金認為，黑洞內部的信息將會丟失。

但是，量子力學認為信息永遠不會丟失。這樣就產生了一個悖論。

為了解決這個問題，科學家們一直在研究和思考。20世紀90年代末，物理學的其他發展，尤其是弦理論（string theory），使大部分研究者都相信，當黑洞蒸發時，落入黑洞的所有信息都必須出來。不過，這件事情將如何發生人們仍然不清楚。但是，應該可以得出的結論是，霍金曾經關於所有信息都會丟失的結論是錯誤的。那麼到底是哪兒出錯了呢？

Malcolm J. Perry和Stephen W. Hawking（霍金）都來自劍橋大學，Andrew Strominger來自哈佛大學，他們三人共同合作，完成了《黑洞上柔軟的毛髮》的論文。當然，該論文還沒有完全解決黑洞信息問題，但它指出了一個有希望的研究方向，沿著這個方向前進，就有可能得到期待已久的答案。

論文指出了兩個基本假設存在的問題——正是這兩個基本假設使霍金最初得出所有信息都會丟失的結論。第一個基本假設是，量子引力中的真空（具有最低可能能量的量子態）是唯一的；第二個基本假設是，黑洞是沒有毛髮的（上文提到的惠勒的比喻）。

與兩個原先的基本假設相反，這次霍金等人提出，1、在量子理論中，有一個無限類的退化的真空（an infinite family of degenerate vacua），2、黑洞可以攜帶「柔軟的毛髮」（soft hair，指的是與非常低能量量子相關的量子毛髮）。

在2015年8月召開的一次會議上，霍金說，我認為這些信息並不是按照人們期望的那樣存儲在黑洞的內部，而是在黑洞的分界線上，也就是視界上。

Strominger是這樣解釋的，當帶電粒子進入黑洞時，它給黑洞增加了一個軟光子，所以它給黑洞增加了頭髮。這個想法或許可以這樣理解，當帶電粒子被吸入黑洞時，它們的信息會在視界上留下一種二維全息印記——由軟光子攜帶。這意味著，當經過視界時，一個物體的所有物理組件將被黑洞消除，而其藍圖將仍然在視界上存在。因此，當輕粒子被黑洞射出時（霍金輻射）——它們可以從視界上拾取信息藍圖，並將它們帶回宇宙。霍金說，這種對於進入粒子的信息歸還，是以混亂和無用的形式進行的。

然而需要提到的非常重要的一點是，這篇論文依然不能解決黑洞信息問題。

首先，必須對引力進行分析，而不僅僅是電磁場。目前作者們正在進行此項研究，他們的初步計算表明，純重力情況將是類似的。

更重要的是，他們介紹的柔軟毛髮可能不足以捕獲落入黑洞的所有信息。

然而，當然存在可能的是，根據這篇論文指示的路徑，進一步的研究將揭開這種類型的更多的黑洞毛髮，或許最終可以解決黑洞信息問題。

74歲高齡的生病的霍金，依然和他的朋友們一同合作，繼續研究他們的理論，2016年11月29日，他們又發表了一篇新的論文，《超螺旋電荷和黑洞上的超級轉錄毛髮》（Superrotation Charge and Supertranslation Hair on Black Holes）。這篇論文依然可以在互聯網上閱讀，以下是論文鏈接：

https://arxiv.org/pdf/1611.09175v2.pdf

霍金的個人網站鏈接：

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