英國理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金提出的黑洞悖論困擾了科學(xué)家半個世紀(jì)，也導(dǎo)致一些人質(zhì)疑物理學(xué)中的兩大支柱理論——相對論和量子力學(xué)。現(xiàn)在，來自英國蘇塞克斯大學(xué)科學(xué)家們說，他們可能已經(jīng)通過證明黑洞具有一種被稱為“量子毛發(fā)”的特性解決了這一問題。如果正確，這將標(biāo)志著理論物理學(xué)的重大進(jìn)步。

蘇塞克斯大學(xué)的澤維爾·卡爾梅特教授領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，“科學(xué)界普遍認(rèn)為，解決這一悖論需要物理學(xué)的巨大范式轉(zhuǎn)變，迫使量子力學(xué)或廣義相對論進(jìn)行潛在的重新表述。”他說，“我們發(fā)現(xiàn)，這是沒有必要的。”

霍金提出的悖論可以如此理解：量子物理規(guī)則規(guī)定，信息是守恒的，然而黑洞對這一定律構(gòu)成了挑戰(zhàn)，因為一旦物體進(jìn)入黑洞，該物體及其中編碼的任何信息基本上就會永遠(yuǎn)消失，不知去向。

科學(xué)家們已經(jīng)提出無數(shù)解決方案，包括假設(shè)信息在進(jìn)入黑洞之前被完全消滅的“防火墻理論”、被認(rèn)為是黑洞邊界模糊的“模糊球理論”，以及弦理論的各種奇異分支等。但這些建議中的大多數(shù)都需要重寫量子力學(xué)定律或愛因斯坦的引力理論，而這將撼動現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。

相比之下，卡爾梅特在近期《物理評論快報》雜志上提出“量子毛發(fā)”定理，聲稱其通過使用一種新的數(shù)學(xué)公式來彌合廣義相對論和量子力學(xué)之間的差距，從而解決了這一悖論。

“量子毛發(fā)”是對基于經(jīng)典物理學(xué)的一種觀點的認(rèn)可，即黑洞可被視為極其簡單的物體，如果知道了它的質(zhì)量、角動量和電荷，也就知道了有關(guān)它的一切。當(dāng)黑洞形成后，其他一切信息(“毛發(fā)”)都喪失了。而自20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家就用“無毛定理”來打趣“光禿禿的”、沒有特征的黑洞。

卡爾梅特及其合作者認(rèn)為，黑洞其實是更復(fù)雜，或者說是“毛茸茸的”。他們認(rèn)為，當(dāng)物質(zhì)坍塌成黑洞時，它會在引力場中留下微弱的印記。這一印記被稱為“量子毛發(fā)”，它將提供在黑洞坍塌過程中保存信息的機(jī)制。根據(jù)這一理論，兩個質(zhì)量和半徑相同、但內(nèi)部組成不同的黑洞，其引力場會有非常細(xì)微的差異。

“我們的解決方案不需要任何猜測;相反，我們的研究表明，這兩個理論可用來對黑洞進(jìn)行一致的計算，并解釋信息是如何存儲的，而不需要某些激進(jìn)的新物理學(xué)。”卡爾梅特說。

不過，目前尚未有明確方法通過天文觀測來檢驗這一理論，因為引力波動太小而不易測量。但這一理論可能會受到嚴(yán)格審查。(科技日報實習(xí)記者 張佳欣)

關(guān)鍵詞： 黑洞悖論 量子毛發(fā) 量子物理 現(xiàn)代物理學(xué)