【解决霍金悖论：#黑洞终结时会发生什么#？】美国《大众机械》月刊网站8月9日刊登题为《解决霍金悖论：当黑洞死亡时发生了什么？》的文章，作者是罗伯特·利亚。全文摘编如下：
斯蒂芬·霍金认为，黑洞会散发出某种形式的辐射，这会导致黑洞逐渐衰弱，并最终在一次大爆炸中结束生命。这可以说是霍金一生最重要的科学贡献。
这种辐射后来被称为“霍金辐射”，它在不经意间成为广义相对论和量子物理的一个矛盾点。广义相对论是对万有引力和宇宙万物在宏观层面的最佳描述，而量子物理是研究微观世界结构最有力的物理学模型。
这两种理论自20世纪初问世以来，不断得到人们的证实。然而，令人沮丧的是，它们之间却存在矛盾之处。
这种矛盾性主要源于“量子引力”理论的缺失。20世纪70年代中期，霍金把量子物理学原理运用到黑洞边缘，让这个问题变得更加复杂。一个悖论就此诞生，物理学家50年来一直致力于解决这个悖论。
《欧洲物理学通讯》上月发表的一篇研究文章，可能让我们终于接近问题的答案。英国萨塞克斯大学物理学家泽维尔·卡尔梅特和斯蒂芬·徐（音）详细阐述了霍金悖论以及解决这一宇宙学问题的潜在办法。
霍金辐射引发争议？
1974年，年轻的霍金在英国《自然》周刊发表了题为《黑洞在爆炸吗？》的文章。他在文章中提出，量子效应（通常在黑洞物理学研究中被忽视）在黑洞质量衰减的过程中可能起到举足轻重的作用。
黑洞是质量极大的恒星在核融合反应的燃料耗尽而死亡时形成的。聚变一旦结束，原本支撑着恒星抵抗引力作用而不发生坍塌的向外压力就不复存在。
这会导致核心坍缩，最终形成时空无限扭曲的一个点——即物理学目前无法解释的奇点。如此巨大的时空曲率不允许任何东西，甚至光，从黑洞“事件视界”逃逸。
卡尔梅特说：“霍金研究了黑洞事件视界附近的量子效应，意识到这里会自发产生成对的粒子。他通过一对特殊粒子可以证明，这对粒子中的一个在黑洞视界被制造出来之后就坠入黑洞，再也看不到了。另一个却会逃逸，理论上是可以从外部观察到的。这就是著名的‘霍金辐射’。”
这些所谓的“虚粒子”是以正负电荷的形式出现的，以遵守能量守恒定律，即能量既不会凭空产生，也不会凭空消失。就像银行一样，这个宇宙真空也有透支设施，但这种债务通常会很快就被相互湮灭的粒子所偿还。
如果一个粒子以霍金辐射的形式逃逸，并避免湮灭，那么它留下的能量债务就必须由黑洞的质量来偿还。随着越来越多的粒子出现和霍金辐射的释放，黑洞会逐渐蒸发，从而消耗更多的质量。
卡尔梅特说：“霍金辐射是热辐射，而热辐射基本上是无特征的。这意味着它无法携带发射者的信息。这对黑洞来说是一个严重的问题。”
他指出，霍金的计算意味着，进入黑洞的信息会随着黑洞的蒸发而毁灭。
他说：“如果真是这样，这对物理学来说就成为一个问题，因为量子力学的一个关键特性是‘幺正性’，即任何过程都可以时间反演，就像倒放电影一样。换言之，从对黑洞所释放的辐射的观测来看，量子力学告诉我们，我们可以重建黑洞的所有历史，以及它所经历的一切。如果霍金是对的，我们就需要承认，一项被广泛接受的物理学理论是错误的。要么我们需要修改量子力学，要么需要修改爱因斯坦的广义相对论。”
霍金悖论如何解决？
幸运的是，就在今年，物理学家提出了一个利用现有理论解决霍金悖论的想法。
尽管黑洞是一种强大而神秘的时空现象，但它很容易描述。这是因为它们只有三种我们确信的特性：质量、角动量和电荷。理论物理学家约翰·惠勒将其总结为黑洞“无毛定理”。
卡尔梅特和徐表示，被吞噬物质携带的信息可能会被编码到黑洞的引力场中。他们已经证明，当量子引力修正被考虑在内时，前身恒星中的物质会在黑洞的引力场中留下印记，这就是所谓的“量子毛发”。
卡尔梅特解释说：“当这颗恒星坍缩成为黑洞时，修正会保留下来，因此，黑洞是有量子毛发的。也就是说，黑洞对其前身恒星有着一定的量子记忆。”
他们随后指出，霍金辐射本质上并不完全是热辐射。相反，他们认为它具有信息量子毛发编码。
卡尔梅特说：“热量的微小差异足以解释，黑洞中的信息如何仍可供外部观察者访问。这足以支持幺正性，因此不存在悖论。”
两位学者的理论精妙之处在于，它不需要修改量子力学或广义相对论，也不需要提出新的物理学方法。
卡尔梅特说：“说到底，解决这个问题的所有要素都已经存在了相当长一段时间，从某种意义上说，如果霍金想找个简单的解释，他本来可以自己解决这个问题。让我吃惊的是，尽管大多数人近50年来一直持这种看法，但解决信息悖论并不需要提出新的物理学原理。”
解决霍金悖论的其他设想并非如此保守。事实上，一些人甚至认为，这需要推翻宇宙的基本概念——或者说，宇宙应该被称为“宇宙”吗？
黑洞孕育婴儿宇宙？
“多重宇宙”的概念是指，除了我们所处的宇宙之外，还存在多个宇宙，但它们是相互独立的，也无法相互作用。这种观点的一个新版本指出，黑洞中心的奇点——所有物理学定律到了这里都不再成立的那个无限扭曲的点——实际上是一个独立的新生宇宙。
美国纽黑文大学物理学讲师尼科德姆·波普瓦夫斯基对本刊说：“按照我的理论，每一个黑洞实际上都是通往黑洞事件视界另一边的一个新宇宙的虫洞，又称‘爱因斯坦-罗森桥’。”
这意味着，每一个宇宙都像我们所处的宇宙一样，可以容纳数十亿个黑洞，每个黑洞都包含自己的婴儿宇宙。波普瓦夫斯基说，这个命题自然解决了霍金悖论。
他说：“信息不会消失，而是会进入黑洞视界另一边的婴儿宇宙。这些物质和信息落入黑洞并从一个白洞（即黑洞的对立面，只能出不能进）出现。”
虽然这一理论就像爱因斯坦的广义相对论一样，并不能明确解释霍金辐射，但它也没有否认霍金辐射。至于黑洞的最终蒸发，波普瓦夫斯基说，这一事件只会永久地把新生宇宙与母宇宙隔绝开来。
关于霍金悖论，还有很多其他解释思路，包括信息会留在黑洞内部，在黑洞最终蒸发完毕时出现。卡尔梅特说，虽然没有人能完美解释这个问题，但物理学领域一些最优秀的人才仍在为解决这一问题而努力。
斯蒂芬·霍金认为，黑洞会散发出某种形式的辐射，这会导致黑洞逐渐衰弱，并最终在一次大爆炸中结束生命。这可以说是霍金一生最重要的科学贡献。
这种辐射后来被称为“霍金辐射”，它在不经意间成为广义相对论和量子物理的一个矛盾点。广义相对论是对万有引力和宇宙万物在宏观层面的最佳描述，而量子物理是研究微观世界结构最有力的物理学模型。
这两种理论自20世纪初问世以来，不断得到人们的证实。然而，令人沮丧的是，它们之间却存在矛盾之处。
这种矛盾性主要源于“量子引力”理论的缺失。20世纪70年代中期，霍金把量子物理学原理运用到黑洞边缘，让这个问题变得更加复杂。一个悖论就此诞生，物理学家50年来一直致力于解决这个悖论。
《欧洲物理学通讯》上月发表的一篇研究文章，可能让我们终于接近问题的答案。英国萨塞克斯大学物理学家泽维尔·卡尔梅特和斯蒂芬·徐（音）详细阐述了霍金悖论以及解决这一宇宙学问题的潜在办法。
霍金辐射引发争议？
1974年，年轻的霍金在英国《自然》周刊发表了题为《黑洞在爆炸吗？》的文章。他在文章中提出，量子效应（通常在黑洞物理学研究中被忽视）在黑洞质量衰减的过程中可能起到举足轻重的作用。
黑洞是质量极大的恒星在核融合反应的燃料耗尽而死亡时形成的。聚变一旦结束，原本支撑着恒星抵抗引力作用而不发生坍塌的向外压力就不复存在。
这会导致核心坍缩，最终形成时空无限扭曲的一个点——即物理学目前无法解释的奇点。如此巨大的时空曲率不允许任何东西，甚至光，从黑洞“事件视界”逃逸。
卡尔梅特说：“霍金研究了黑洞事件视界附近的量子效应，意识到这里会自发产生成对的粒子。他通过一对特殊粒子可以证明，这对粒子中的一个在黑洞视界被制造出来之后就坠入黑洞，再也看不到了。另一个却会逃逸，理论上是可以从外部观察到的。这就是著名的‘霍金辐射’。”
这些所谓的“虚粒子”是以正负电荷的形式出现的，以遵守能量守恒定律，即能量既不会凭空产生，也不会凭空消失。就像银行一样，这个宇宙真空也有透支设施，但这种债务通常会很快就被相互湮灭的粒子所偿还。
如果一个粒子以霍金辐射的形式逃逸，并避免湮灭，那么它留下的能量债务就必须由黑洞的质量来偿还。随着越来越多的粒子出现和霍金辐射的释放，黑洞会逐渐蒸发，从而消耗更多的质量。
卡尔梅特说：“霍金辐射是热辐射，而热辐射基本上是无特征的。这意味着它无法携带发射者的信息。这对黑洞来说是一个严重的问题。”
他指出，霍金的计算意味着，进入黑洞的信息会随着黑洞的蒸发而毁灭。
他说：“如果真是这样，这对物理学来说就成为一个问题，因为量子力学的一个关键特性是‘幺正性’，即任何过程都可以时间反演，就像倒放电影一样。换言之，从对黑洞所释放的辐射的观测来看，量子力学告诉我们，我们可以重建黑洞的所有历史，以及它所经历的一切。如果霍金是对的，我们就需要承认，一项被广泛接受的物理学理论是错误的。要么我们需要修改量子力学，要么需要修改爱因斯坦的广义相对论。”
霍金悖论如何解决？
幸运的是，就在今年，物理学家提出了一个利用现有理论解决霍金悖论的想法。
尽管黑洞是一种强大而神秘的时空现象，但它很容易描述。这是因为它们只有三种我们确信的特性：质量、角动量和电荷。理论物理学家约翰·惠勒将其总结为黑洞“无毛定理”。
卡尔梅特和徐表示，被吞噬物质携带的信息可能会被编码到黑洞的引力场中。他们已经证明，当量子引力修正被考虑在内时，前身恒星中的物质会在黑洞的引力场中留下印记，这就是所谓的“量子毛发”。
卡尔梅特解释说：“当这颗恒星坍缩成为黑洞时，修正会保留下来，因此，黑洞是有量子毛发的。也就是说，黑洞对其前身恒星有着一定的量子记忆。”
他们随后指出，霍金辐射本质上并不完全是热辐射。相反，他们认为它具有信息量子毛发编码。
卡尔梅特说：“热量的微小差异足以解释，黑洞中的信息如何仍可供外部观察者访问。这足以支持幺正性，因此不存在悖论。”
两位学者的理论精妙之处在于，它不需要修改量子力学或广义相对论，也不需要提出新的物理学方法。
卡尔梅特说：“说到底，解决这个问题的所有要素都已经存在了相当长一段时间，从某种意义上说，如果霍金想找个简单的解释，他本来可以自己解决这个问题。让我吃惊的是，尽管大多数人近50年来一直持这种看法，但解决信息悖论并不需要提出新的物理学原理。”
解决霍金悖论的其他设想并非如此保守。事实上，一些人甚至认为，这需要推翻宇宙的基本概念——或者说，宇宙应该被称为“宇宙”吗？
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“多重宇宙”的概念是指，除了我们所处的宇宙之外，还存在多个宇宙，但它们是相互独立的，也无法相互作用。这种观点的一个新版本指出，黑洞中心的奇点——所有物理学定律到了这里都不再成立的那个无限扭曲的点——实际上是一个独立的新生宇宙。
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这意味着，每一个宇宙都像我们所处的宇宙一样，可以容纳数十亿个黑洞，每个黑洞都包含自己的婴儿宇宙。波普瓦夫斯基说，这个命题自然解决了霍金悖论。
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