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霍金最后的追求:从黑洞中拯救量子理论

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当阿尔伯特爱因斯坦于1955年去世的时候,他花了几十年的时间去完成一个孤独的,具有逻辑性的任务:推导出所有能够统一引力和电磁的理论 - 即使物理学家在工作时发现了新的核力量。上周在76岁去世的伟大英国物理学家斯蒂芬霍金也一直工作到结束。但他关注的可能是他物理学领域中最重要的问题,他自己的工作曾经提出过:黑洞如何保存编码在材料中的信息?

圣巴巴拉加利福尼亚大学的量子物理学家史蒂文吉丁斯说:“他显然正在研究这个大的松散结局,这真的代表了一场物理学的深刻危机。霍金和两位同事在最终提出解决这个问题的方案时提出了一种方法,让信息最终在黑洞的不可思议的边缘潦草地写下来,尽管其他人对此持怀疑态度。

黑洞是一颗恒星在其自身重力下坍塌到极小点时仍然存在的引力场。在距离黑洞事件视界一定距离的范围内,重力变得如此强烈,甚至连光都无法逃脱。或者理论家曾经假设过。由于量子不确定性,真空随着粒子 - 反粒子对的快速传播过快而不能直接检测到。在事件视界中,霍金在1974年意识到,一对粒子可以落入黑洞而另一粒子逃逸。随着黑洞散发出这样的粒子,它会失去能量和质量,直到它完全蒸发。这种“霍金辐射”太弱,无法观察,但很少有科学家怀疑它的存在。

但霍金的签名见解导致了一个令人不安的结论。想象一下,把字典扔进一个黑洞,然后蒸发。因为新兴的霍金辐射大概是随机的,所以字典中的信息不应该随它回来。这种信息损失会破坏量子力学,这就要求描述任何系统的“波函数”(无论是词典还是宇宙)都以可预测的方式进化。如果信息丢失,那不会发生。研究人员表示,如果允许黑洞出现,这种信息丢失就会像癌症一样通过量子物理传播,损害节能等事情。

霍金首先想到通过改变量子理论解决问题。 1997年,他和帕萨迪纳加利福尼亚理工学院(加州理工学院)的引力理论家基普索恩与约翰普雷斯基尔一起投注,他也是加州理工学院的理论家。霍金和索恩坚持认为黑洞破坏信息的立场。然而,到了2004年,霍金改变了主意并承认了下注。他给普雷斯基尔一个棒球百科全书 - 从中​​可以随意恢复奥术信息。

霍金在晚年的大部分时间里都在试图弄清楚黑洞如何能够反弹信息 - 尽管他还研究了触发大爆炸的理论。三年前,他与英国剑桥大学理论物理学家兼霍金的同事马尔科姆佩里以及哈佛大学理论家安德鲁斯特明杰格开始了他最后一次关于黑洞的工作。 “就在两周前,我看到他了,”佩里说。 “他当然不是最好的形状,但他的头脑清楚地集中在这个问题上。”

在一对最近的论文中,科学家们攻击了被称为无毛定理的黑洞理论。它被广泛地解释为意味着只有三个参数 - 质量,自旋和电荷,最后可能是零 - 足以描述一个黑洞。正如美国理论家约翰·阿奇博尔德·惠勒所说的那样,像秃头一样,类似群众和旋转的黑洞也没有细节 - 没有“头发”来区分它们。同一性意味着一个黑洞不会记录是否吞下了该剧, 李尔王或电影  金刚

但严格地说,斯特罗米格说,这个定理只说明两个相似的黑洞可以通过一些称为微分同胚的数学关系“相互转化”,这个关系重新标记了时空坐标。他说,无数其他微分同胚家族几十年来一直被忽视。他们暗示黑洞的事件视界可能会以无穷大的方式受到影响 收费,有点像电费。 Strominger说,这些指控可能将黑洞与另一个黑洞区分开来,并编码不可靠的信息。 “我们对这个想法持谨慎乐观态度,”他说。 “Stephen非常乐观。”

但是,Giddings警告说,收费可能无法编码足够的信息,或者无法以独特的方式进行编码。一位要求匿名尊重霍金的理论家说,他对黑洞信息问题的各种解决方案都与他最好的工作紧密相关。理论家说,霍金最近的工作也忽略了一个更大的问题。他认为,如果一个黑洞保留了信息,那么爱因斯坦的万有引力理论的一个不可避免的结论 - 即无法判断你是否陷入一个巨大的黑洞 - 肯定是错误的。

其他人赞扬霍金因为退化性神经疾病,肌萎缩性侧索硬化症而致力于解决重要问题,导致他使用轮椅,并最终使他只能通过电脑语音合成器发言。具有讽刺意味的是,霍金的残疾可能帮助他避免了笼罩爱因斯坦的孤立,英国南安普敦大学的理论物理学家玛丽卡泰勒说,他从1995年到1998年是霍金的研究生。她说,霍金不得不依靠合作者来充实自己的想法,因此与同龄人保持着密切的联系。泰勒说:“没有踏上他的实际家庭的脚趾,”他的物理家族对他来说非常重要。“

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