史蒂芬霍金生前最后一篇论文到底关于什么？黑洞信息悖论究竟是什么？

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去年3 月 14 日，史蒂芬霍金去世，享年 76 岁，但他的聪明才智对科学社区的贡献却仍未停止。作为一位备受尊敬的物理学家，史蒂芬霍金的最后一篇论文如今已在网上公开，这篇论文再次讨论了神秘的物理世界。在这篇题为《Black Hole Entropy and Soft Hair》的论文中，史蒂芬霍金与其他一些学者共同探讨了自己毕生研究的方向：当物体落入黑洞时信息将何去何从。

史蒂芬霍金的最后一篇论文探索了物理学界悬而未决的最大问题之一。他首先提出了一个问题：落入黑洞的物质真的会消失吗？根据物理学定律应该不可能消失。这一悖论令人困惑，因为它将引起量子力学与广义相对论的对立。史蒂芬霍金的最后这篇论文讨论的就是黑洞信息悖论。

黑洞信息悖论是史蒂芬霍金本人提出的。黑洞是时空的一个区域，这个区域内的引力非常强大，以至于任何东西，甚至光都不能从中逃逸出来 "因此黑洞是人类无法用肉眼观察或用光学天文望远镜观测到的"。

按照广义相对论的黑洞理论，椅子堕入黑洞视界消失，从黑洞中散逸出的光辐射却不带有椅子的半点信息结构。我们无法从黑洞蒸发出来的辐射知道落入黑洞的是椅子还是火腿。但是，这违背了量子力学态的时间反演属性。于是，悖论由此而生。这一悖论本身暴露，广义相对论和量子力学的不协调性，其中一定蕴藏着更为奇特的物理学规律。

但是在这篇论文中，史蒂芬霍金及其合著者提出，一种叫做“软毛发”（soft hair）的东西可以解决张力问题。“毛发”指的是视界（黑洞的边界）上的光子。在视界的“软毛发”区域会储存落入黑洞的物质的有关信息。这意味着这些物质的信息其实并没有从宇宙中消失，而是看起来像是消失在明显的视界之外。

“这是研究历程中的一步，但绝不是完整的答案”该论文的共同作者 Malcolm Perry 告诉《卫报》。“在这之后，我们面前的未解之谜变少了，但还有一些令人困惑的问题需要解决，我们仍然没有足够的技术来验证斯蒂芬·史蒂芬霍金的伟大思想。“

这一难题的起源可以追溯到爱因斯坦。1915 年，爱因斯坦提出广义相对论，解释重力如何从物质的时空弯曲效应中产生，以及行星为何围绕太阳旋转。但是爱因斯坦的理论也对黑洞做出了重要预测，尤其重要的一点是黑洞可以完全由三个特征来定义：质量、电荷和角动量。

将近 60 年后，史蒂芬霍金加入了这项研究。他认为黑洞也有温度。因为热的物体将热量散失到太空中，黑洞的最终命运是从宇宙中蒸发，不复存在。但是这带来了一个问题。根据量子世界的定律，信息永远不会消失。那么，当一个物体坠入黑洞时，它所包含的所有信息——例如一个卫星原子的性质——将何去何从？

“问题是，如果你把东西扔进黑洞里，它看起来好像消失了一样“Perry 说道，”如果黑洞消失了，那扔进黑洞里的物体的信息要怎么恢复？”

在这最后一篇论文中，史蒂芬霍金及其同事展示了有些信息如何被保存下来。把一个物体扔进黑洞，黑洞的温度会因此而改变。一种叫做熵（用来测量物体内部无序程度的指标）的特性也会如此。温度越高，熵就越高。

黑洞信息悖论导出了量子力学个广义相对论的矛盾，二者究竟谁对谁错，我们至今无从知晓。


本文选自：今日头条

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