霍金“复活”，给黑洞选了个“泄密者”

著名物理学家斯蒂芬·霍金于3月14日逝世，令全世界震惊和遗憾。我以为霍金的研究已经结束了。不，六个月后，这位伟大的科学家“复活”了，作为第二作者，他在arXiv网站上以“黑洞熵和软毛”为题发表了他最新科学研究论文的预印版本。在著名学术期刊《科学》网站以“霍金的最后一篇论文”为新闻发布后，这又引起了人们的关注:最后一篇论文到底写了什么？

“暴食”属性导致的信息丢失在哪里

爱因斯坦的广义相对论是物理学的一个基本理论。这个理论预言宇宙中有一种质量很大的天体——黑洞。黑洞可以完全由质量、电荷和旋转来定义。在这个“洞”里，光很难“逃脱”，更不用说速度低于光速的其他物质了。因此，黑洞就像一只“勇敢的狗”，不能进进出出。假设黑洞本身最终会消失，被黑洞“吞噬”的物体所携带的信息将自然消失。

然而，吞噬所有物质和信息的黑洞与另一种基本的物理理论——量子力学相冲突。根据量子力学，物体的所有性质都是由它的状态决定的，而物体的状态是由它的波函数来表征的。换句话说，在获得一个物体在某一特定时刻的波函数之后，它在之前或之后的任何时刻的波函数都可以由当前的波函数来确定。因此，物体的信息必须被保存。

关于信息是否丢失的两种理论之间的矛盾被称为黑洞信息悖论。

中国科学院国家天文台研究员、黑洞及其高能爆发研究小组组长郭立军从熵的角度解释了黑洞的各种“传说”。

霍金和他的合作者在20世纪70年代提出了黑洞的热力学定理。这个定理最直接的推论是黑洞没有熵，落入黑洞的物体完全消失，包括信息。熵反映了黑洞中储存的信息量。这意味着由于黑洞的存在，我们可以以某种方式减少宇宙中的熵，这与我们所知的宇宙中熵增加的原理相反。正是因为这个违反了先前原理的推论，霍金才发现了霍金辐射，而且还有一个更令人困惑的黑洞信息悖论。

搭档的“写作论文”解决了霍金几十年的难题

剑桥大学理论物理教授、该论文的合著者马尔科姆·佩里(Malcolm perry)表示，40多年来，信息悖论一直是霍金生活的焦点。霍金关于“复活”的论文是他在剑桥和哈佛工作的三个伙伴写的。这篇论文研究的是困扰霍金几十年的问题:落入黑洞的物体所携带的信息会丢失吗？这些信息能从黑洞中“逃脱”吗？

霍金先前提出，除了质量、电荷和旋转，黑洞还应该有温度。

霍金认为传统的黑洞研究只考虑广义相对论。然而，如果量子力学是“叠加”的，就会发现在空间的任何地方都会有粒子和反粒子对，它们会在瞬间产生和湮灭。这些粒子对的能量越高，寿命越短。

如果瞬间产生的反粒子被黑洞边界(即事件视界)的黑洞吸收，那么与反粒子配对并被认为同步湮灭的粒子可能不会湮灭，而是变成持久的真实粒子。从外部来看，它类似于发射粒子的黑洞。这是霍金辐射。从这个角度来看，黑洞不是绝对黑色的，也不是“野生动物”。

勾立军解释说，根据经典的广义相对论，黑洞没有任何辐射，光子也没有辐射，它们对应的温度是绝对零度。"但是一旦考虑到光子辐射，黑洞就不再是没有温度的天体了."

天文学家过去认为黑洞的最终命运将是完全蒸发并消失于无形，因为黑洞会不断产生辐射并消散到太空中，信息也会随之消失。但是在2016年，霍金提出黑洞的“软毛”可以保存一些关于黑洞熵的信息。所谓的软毛是黑洞视觉界面附近的光子。它们来自黑洞蒸发过程中的辐射。霍金和他的同事在这篇新发表的论文中展示了“软头发”是如何携带熵信息的。“我们发现‘软毛’真的能做到这一点。”马尔科姆·佩里说。

"如果没有皮毛，黑洞将是一个神秘的球."勾立君说。虽然霍金的最后一项工作只是彻底解决这个悖论的第一步，还需要大量的后续工作，但它为我们解决黑洞信息悖论问题提供了一个方向。

世界上可能没有“洞”。

黑洞的信息悖论既复杂又令人困惑，而且黑洞本身并没有获得所有科学家的认可。甚至，一些科学家认为世界可能永远不会有黑洞。天体物理学家对黑洞内部究竟有什么做了许多假设。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家乔治·凯·普林认为，这些假设可能是“无用的”。他认为那些“黑洞”可能是甜甜圈形暗能量恒星。

在2005年接受《自然》采访时，乔治·凯·普林说:“黑洞不存在的概率几乎是100%。”在他之前与诺贝尔奖得主罗伯特·劳林合作研究的基础上，他还提出了一个被称为“暗能量星”的黑洞替代模型。他认为，一颗坍缩的恒星积累了巨大的能量，足以将恒星中的质子和中子衰变为光子气体和其他基本粒子，同时产生所谓的“真空能量滴”。这些物质会形成“浓缩”的时空，就像气体在一定压力下会转化成液体一样。这些凝聚态的时空暗能量密度远远高于恒星周围的时空暗能量密度。这可以提供足够的压力来抵抗重力的作用，从而防止奇点的形成。如果在时间和空间上没有奇点，就不会有黑洞。被大多数科学家视为黑洞的塌缩恒星，实际上可以被描述为时空正在经历相变的区域。

当然，这一观点在天体物理学中很少得到支持。在过去的十年里，乔治·凯·普林在这一领域的论文仅被引用了一位数。相比之下，他在粒子物理学领域最受欢迎的论文被引用了600多次。