理論物理學取得重大進步 “量子毛發”理論或可解決霍金黑洞悖論

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

蘇塞克斯大學的澤維爾·卡爾梅特教授領導了這項研究，“科學界普遍認為，解決這一悖論需要物理學的巨大范式轉變，迫使量子力學或廣義相對論進行潛在的重新表述。”他說，“我們發現，這是沒有必要的。”

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

科學家們已經提出無數解決方案，包括假設信息在進入黑洞之前被完全消滅的“防火墻理論”、被認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都需要重寫量子力學定律或愛因斯坦的引力理論，而這將撼動現代物理學的兩大支柱。

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”定理，聲稱其通過使用一種新的數學公式來彌合廣義相對論和量子力學之間的差距，從而解決了這一悖論。

“量子毛發”是對基于經典物理學的一種觀點的認可，即黑洞可被視為極其簡單的物體，如果知道了它的質量、角動量和電荷，也就知道了有關它的一切。當黑洞形成后，其他一切信息(“毛發”)都喪失了。而自20世紀70年代以來，科學家就用“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為，黑洞其實是更復雜，或者說是“毛茸茸的”。他們認為，當物質坍塌成黑洞時，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”，它將提供在黑洞坍塌過程中保存信息的機制。根據這一理論，兩個質量和半徑相同、但內部組成不同的黑洞，其引力場會有非常細微的差異。

“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，而不需要某些激進的新物理學。”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格審查。(張佳欣)