霍金生前最后一篇论文：是什么问题让他牵挂了40年？

斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）毕生致力于解决一个问题：物体落入黑洞后，它们包含的信息去哪儿了？

在今年3月霍金去世前几天，霍金和他的几位同事完成了一项研究，旨在破解理论物理学家所说的“黑洞信息悖论”。最近，他的同事整理发表了这位已故宇宙学家的最后一篇科学论文《黑洞熵与软毛发》（Black Hole Entropy and Soft Hair）。

剑桥大学理论物理学教授、该论文合著者马尔科姆·佩里（Malcolm Perry）说，黑洞信息悖论是40多年来“霍金的生活重心”。

黑洞熵和软毛发

这个悖论的起源可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）。1915年，爱因斯坦发表广义相对论，描述了物质的时空弯曲效应如何产生引力，以及行星为什么围绕太阳旋转。但爱因斯坦的理论也作出了关于黑洞的重要预测，尤其是只用三个特征就能完全定义一个黑洞。这三个特征分别是质量、电荷和旋转。

近60年后，霍金又添加了一个特征。他认为黑洞也有温度。由于热的物体会向太空散热，黑洞的最终命运将是逐渐蒸发，不复存在。但这产生了一个问题。按照量子世界的法则，信息是永不消失的。那么，一个物体落入黑洞后，该物体包含的所有信息去哪儿了？

“如果你把一个物体扔进黑洞，它似乎消失了。”佩里说，“要是黑洞本身也消失了，怎么重新获得那个物体包含的信息？”

在最后一篇论文中，霍金和同事们论证了至少部分信息或许可以被保存下来的方法。把一个物体扔进黑洞，黑洞的温度应该会改变，一种名为熵的属性也会随之改变。熵是物体内部混乱程度的度量值，物体越热，熵值越高。

剑桥大学的萨沙·哈科（Sasha Haco）和哈佛大学的安德鲁·斯特鲁明格（Andrew Strominger）等人认为，黑洞事件视界边缘的光子，也许记录了黑洞的熵值。一旦进入事件视界，光就无法逃逸。他们把这些光子称为“软毛发”。

佩里说，“这篇论文证明，‘软毛发’可以对黑洞的熵值做出解释。”

然而，黑洞信息悖论并没有就此完全解开。“我们不知道霍金熵是否适用于落入黑洞的一切物质，所以这项研究只是向前迈出的一步而已。”佩里说，“我们认为这一步很重要，不过还有很多工作要做。”

仍待探索的未知问题

霍金去世前几天，佩里和斯特鲁明格正在撰写这篇论文。佩里当时不知道霍金病得有多严重，于是打电话去告诉他最新情况。这可能是霍金进行的最后一次学术交流。“霍金跟人交流起来十分困难，我开着扬声器，向他解释我们的进展。听我说话的时候，他的脸上出现了大大的笑容。我告诉他，我们已经有了进展。他知道最后的结果。”

软毛发如何储存与熵有关的信息？当黑洞蒸发时，那些信息是如何从黑洞里出来的？这些都是佩里和同事们现在要探索的未知问题。

“如果把一个物体扔进去，关于该物体的所有信息是否都储存在黑洞的视界上？”佩里说，“要解决黑洞信息悖论，就必须解决这个问题。哪怕解决了一半乃至99%，都不算解决了黑洞信息悖论。”

“这篇论文是向前迈出的一步，但绝不是全部的答案。相比以前，现在的问题略微少了一些，但肯定还有一些令人费解的问题需要解决。”

南安普顿大学理论物理学教授、霍金曾经的学生玛丽卡·泰勒（Marika Taylor）说，“从微观层面上了解黑洞熵的起源，是过去40年间的一大难题。”

“这篇论文提出了一种方法，根据事件视界的对称性来了解黑洞熵。作者们提出了几个特殊的假设，所以下一步将是验证这些假设。”

爱因斯坦母校、普林斯顿高等研究院的理论物理学家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）说，“霍金发现，黑洞也有温度。对于普通物体，我们知道，温度源自系统中微观成分的运动。例如，空气之所以有温度，是因为分子的运动。运动速度越快，温度越高。”

“对于黑洞，我们不知道那些微观成分是什么，也不知道它们是否与黑洞的视界有关。在某些具有特殊对称性的物理系统中，就这些对称性而言，是可以计算热属性的。这篇论文表明，在黑洞视界周围，存在这种特殊的对称性。”

霍金遗作的意义有多重大？

作为霍金生前最后一篇论文的合著者，剑桥大学理论物理学教授马尔科姆·佩里亲自执笔，向我们解释：为什么说这篇论文有助于解开一个悬而未决的宇宙谜团。

以下为佩里全文：

艺术想象图：一颗正被黑洞撕裂的恒星。

当今基础理论物理学中，最让人费解的，也许要数黑洞信息悖论了。43年前，霍金就发现了这个悖论；但时至今日，它依然让人困惑不解。

从2015年开始，斯蒂芬·霍金、安德鲁·斯特鲁明格和我，我们三个人开始思索：能否对困惑背后的基本假设，展开一番质疑，进而从新的角度去理解黑洞信息悖论。2016年，我们围绕这一课题，发表了第一篇论文，后来研究一直在继续。

最新成果刚刚发表，或许，这也是霍金参与的最后一篇论文。虽然，我们并没有解决信息悖论，但我们希望，它能为最终解答铺平道路，我们也在持续推进相关研究。

物理学的意义，是能根据当下，预测未来。举个例子，你抛出一个球，只要知道初始位置和速度，你就能通过计算，得出它未来的位置。这类推理对经典物理学管用，但对微观事物，比如原子和电子，物理学法则就要根据量子力学，进行调整了。

在量子力学中，你只能计算各类事件发生的概率，而无法描述准确的结果。还是以抛球为例，你无法预测它的确切轨迹，只能根据初始条件，计算出它落在某一点的概率。

霍金发现，在黑洞物理学中，不确定性似乎比量子力学还要大。然而，这似乎让人完全无法接受，因为这样一来，很多物理学法则会被打破。对于黑洞的未来，我们将丧失任何预测的能力。

这也许不重要，但有一点：黑洞是真实存在的天体。很多星系的中心，都存在着巨大的黑洞。这是已知的，因为针对银河系中心的观测显示，那里有一个致密的天体，其质量是太阳的数百万倍，质量如此密集的天体，只可能是黑洞。

另外，在距我们非常遥远的星系内，有一种极度明亮的天体，名为类星体；物质在落向黑洞的过程中，释放出巨大能量，才形成这种天体。最近，激光干涉引力波天文台（LIGO）又发现了黑洞撞击产生的时空波动，即引力波。

问题的根源在于，人们曾以为，质量和自旋就是黑洞的全部。一个东西一旦被扔进黑洞，你就再也不知道它当初是什么了。

有一句话精辟地概括了这一点：“黑洞无毛。”我们通常可以通过头发，识别不同的人，但黑洞似乎都是全秃。早在1974年，霍金就发现，从行为来看，黑洞更像是“黑体”，而非完美的吸收体。温度是黑体的一种属性，而凡是有温度的天体，都能产生热辐射。

你去看医生，他们很可能拿一个仪器对着你，给你测量体温。这是一种红外传感器，通过探测人体热辐射来测量体温。火中烧热的金属会发光，就是因为它产生了热辐射。

黑洞也是一样。它有自己的温度，并能产生热辐射。这一温度被称为霍金温度，它的公式就刻在西敏寺的霍金纪念碑上。任何有温度的天体都有熵。熵所度量的，是一个物体的微观构成可以有多少种组合方式，使该物体依然是那个物体。

比如，对一块烧红的金属来说，构成它的原子有多少种组合方式，使它依然是你观察到的那块金属，这个组合方式的数值，就是它的熵。借助这个黑洞温度公式，霍金得以计算出黑洞的熵。

接下来的问题是：这个熵是怎么来的？鉴于所有黑洞看起来都一样，因此，信息悖论的核心，就是熵的源头问题。

我们之前发现了数学中的一个缺口，正是这个缺口，让我们相信，黑洞都是全秃。2016年，我们三人发现，黑洞拥有无限量的“软毛”。由此，我们开始质疑，黑洞真的打破物理学法则了吗？

霍金一直参与这项研究，直到生命的终点。现在，我们发表这篇论文，陈述了我们当前的理解。在论文中，我们描述了黑洞熵的一种计算方式。基本而言，熵就是黑洞除去质量和自旋后的另一种属性。

这并非信息悖论的最终解答，但我们认为，它提供了重大解题思路。进一步的研究有待展开，但我们觉得斗志昂扬。在我们寻找能够与量子力学兼容的引力理论的过程中，信息悖论是一个绕不过去的坎。

在宏观层面上，爱因斯坦的广义相对论对时空和引力做了极为成功的描述。但在微观层面上，要解释物质的运动，离不开量子理论。在粒子物理学的“标准模型”下，除引力外，围绕其他很多力的理论都大获成功。比如，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机发现希格斯玻色子，就印证了这些概念。

希格斯玻色子

但如何将引力纳入这一体系？对这个问题，我们依然束手无策。除了黑洞研究，霍金也曾进行其他探索，希望能将引力与自然界的其他力统一起来，从而把爱因斯坦的理论与量子理论统一起来。我们的黑洞研究也为解答后一个谜团提供了思路。

若是霍金依然在世，看到这些持续了半个世纪的谜团有望解开，他定会和我们一样激动。

翻译 | 丁波 丁盈幸

来源 |The Guardian

校对 | 其奇