霍金生前最後一篇論文發表，是什麼問題讓他牽掛了40年？
斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）畢生致力於解決一個問題：物體落入黑洞後，它們包含的資訊去哪兒了？
在今年3月霍金去世前幾天，霍金和他的幾位同事完成了一項研究，旨在破解理論物理學家所說的“黑洞資訊悖論”。現在，他的同事整理髮表了這位已故宇宙學家的最後一篇科學論文《黑洞熵與軟毛髮》（Black Hole Entropy and Soft Hair）。
劍橋大學理論物理學教授、該論文合著者馬爾科姆·佩裡（Malcolm Perry）說，黑洞資訊悖論是40多年來“霍金的生活重心”。
黑洞熵和軟毛髮
這個悖論的起源可以追溯到阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）。1915年，愛因斯坦發表廣義相對論，描述了物質的時空彎曲效應如何產生引力，以及行星為什麼圍繞太陽旋轉。但愛因斯坦的理論也作出了關於黑洞的重要預測，尤其是隻用三個特徵就能完全定義一個黑洞。這三個特徵分別是質量、電荷和旋轉。
近60年後，霍金又添加了一個特徵。他認為黑洞也有溫度。由於熱的物體會向太空散熱，黑洞的最終命運將是逐漸蒸發，不復存在。但這產生了一個問題。按照量子世界的法則，資訊是永不消失的。那麼，一個物體落入黑洞後，該物體包含的所有資訊去哪兒了？
“如果你把一個物體扔進黑洞，它似乎消失了。”佩裡說，“要是黑洞本身也消失了，怎麼重新獲得那個物體包含的資訊？”
在最後一篇論文中，霍金和同事們論證了至少部分資訊或許可以被儲存下來的方法。把一個物體扔進黑洞，黑洞的溫度應該會改變，一種名為熵的屬性也會隨之改變。熵是物體內部混亂程度的度量值，物體越熱，熵值越高。
劍橋大學的薩沙·哈科（Sasha Haco）和哈佛大學的安德魯·斯特魯明格（Andrew Strominger）等人認為，黑洞事件視界邊緣的光子，也許記錄了黑洞的熵值。一旦進入事件視界，光就無法逃逸。他們把這些光子稱為“軟毛髮”。
佩裡說，“這篇論文證明，‘軟毛髮’可以對黑洞的熵值做出解釋。”
然而，黑洞資訊悖論並沒有就此完全解開。“我們不知道霍金熵是否適用於落入黑洞的一切物質，所以這項研究只是向前邁出的一步而已。”佩裡說，“我們認為這一步很重要，不過還有很多工作要做。”
仍待探索的未知問題
霍金去世前幾天，佩裡和斯特魯明格正在撰寫這篇論文。佩裡當時不知道霍金病得有多嚴重，於是打電話去告訴他最新情況。這可能是霍金進行的最後一次學術交流。“霍金跟人交流起來十分困難，我開著揚聲器，向他解釋我們的進展。聽我說話的時候，他的臉上出現了大大的笑容。我告訴他，我們已經有了進展。他知道最後的結果。”
軟毛髮如何儲存與熵有關的資訊？當黑洞蒸發時，那些資訊是如何從黑洞裡出來的？這些都是佩裡和同事們現在要探索的未知問題。
“如果把一個物體扔進去，關於該物體的所有資訊是否都儲存在黑洞的視界上？”佩裡說，“要解決黑洞資訊悖論，就必須解決這個問題。哪怕解決了一半乃至99%，都不算解決了黑洞資訊悖論。”
“這篇論文是向前邁出的一步，但絕不是全部的答案。相比以前，現在的問題略微少了一些，但肯定還有一些令人費解的問題需要解決。”
南安普頓大學理論物理學教授、霍金曾經的學生瑪麗卡·泰勒（Marika Taylor）說，“從微觀層面上了解黑洞熵的起源，是過去40年間的一大難題。”
“這篇論文提出了一種方法，根據事件視界的對稱性來了解黑洞熵。作者們提出了幾個特殊的假設，所以下一步將是驗證這些假設。”
愛因斯坦母校、普林斯頓高等研究院的理論物理學家胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）說，“霍金髮現，黑洞也有溫度。對於普通物體，我們知道，溫度源自系統中微觀成分的運動。例如，空氣之所以有溫度，是因為分子的運動。運動速度越快，溫度越高。”
“對於黑洞，我們不知道那些微觀成分是什麼，也不知道它們是否與黑洞的視界有關。在某些具有特殊對稱性的物理系統中，就這些對稱性而言，是可以計算熱屬性的。這篇論文表明，在黑洞視界周圍，存在這種特殊的對稱性。”
霍金遺作的意義有多重大？
作為霍金生前最後一篇論文的合著者，劍橋大學理論物理學教授馬爾科姆·佩裡親自執筆，向我們解釋：為什麼說這篇論文有助於解開一個懸而未決的宇宙謎團。
以下為佩裡全文：
藝術想象圖：一顆正被黑洞撕裂的恆星
當今基礎理論物理學中，最讓人費解的，也許要數黑洞資訊悖論了。43年前，霍金就發現了這個悖論；但時至今日，它依然讓人困惑不解。
從2015年開始，斯蒂芬·霍金、安德魯·斯特魯明格和我，我們三個人開始思索：能否對困惑背後的基本假設，展開一番質疑，進而從新的角度去理解黑洞資訊悖論。2016年，我們圍繞這一課題，發表了第一篇論文，後來研究一直在繼續。
最新成果剛剛發表，或許，這也是霍金參與的最後一篇論文。雖然，我們並沒有解決資訊悖論，但我們希望，它能為最終解答鋪平道路，我們也在持續推進相關研究。
物理學的意義，是能根據當下，預測未來。舉個例子，你丟擲一個球，只要知道初始位置和速度，你就能通過計算，得出它未來的位置。這類推理對經典物理學管用，但對微觀事物，比如原子和電子，物理學法則就要根據量子力學，進行調整了。
在量子力學中，你只能計算各類事件發生的概率，而無法描述準確的結果。還是以拋球為例，你無法預測它的確切軌跡，只能根據初始條件，計算出它落在某一點的概率。
霍金髮現，在黑洞物理學中，不確定性似乎比量子力學還要大。然而，這似乎讓人完全無法接受，因為這樣一來，很多物理學法則會被打破。對於黑洞的未來，我們將喪失任何預測的能力。
這也許不重要，但有一點：黑洞是真實存在的天體。很多星系的中心，都存在著巨大的黑洞。這是已知的，因為針對銀河系中心的觀測顯示，那裡有一個緻密的天體，其質量是太陽的數百萬倍，質量如此密集的天體，只可能是黑洞。
另外，在距我們非常遙遠的星系內，有一種極度明亮的天體，名為類星體；物質在落向黑洞的過程中，釋放出巨大能量，才形成這種天體。最近，鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）又發現了黑洞撞擊產生的時空波動，即引力波。
問題的根源在於，人們曾以為，質量和自旋就是黑洞的全部。一個東西一旦被扔進黑洞，你就再也不知道它當初是什麼了。
有一句話精闢地概括了這一點：“黑洞無毛。”我們通常可以通過頭髮，識別不同的人，但黑洞似乎都是全禿。早在1974年，霍金就發現，從行為來看，黑洞更像是“黑體”，而非完美的吸收體。溫度是黑體的一種屬性，而凡是有溫度的天體，都能產生熱輻射。
你去看醫生，他們很可能拿一個儀器對著你，給你測量體溫。這是一種紅外感測器，通過探測人體熱輻射來測量體溫。火中燒熱的金屬會發光，就是因為它產生了熱輻射。
黑洞也是一樣。它有自己的溫度，並能產生熱輻射。這一溫度被稱為霍金溫度，它的公式就刻在西敏寺的霍金紀念碑上。任何有溫度的天體都有熵。熵所度量的，是一個物體的微觀構成可以有多少種組合方式，使該物體依然是那個物體。
比如，對一塊燒紅的金屬來說，構成它的原子有多少種組合方式，使它依然是你觀察到的那塊金屬，這個組合方式的數值，就是它的熵。藉助這個黑洞溫度公式，霍金得以計算出黑洞的熵。
接下來的問題是：這個熵是怎麼來的？鑑於所有黑洞看起來都一樣，因此，資訊悖論的核心，就是熵的源頭問題。
我們之前發現了數學中的一個缺口，正是這個缺口，讓我們相信，黑洞都是全禿。2016年，我們三人發現，黑洞擁有無限量的“軟毛”。由此，我們開始質疑，黑洞真的打破物理學法則了嗎？
霍金一直參與這項研究，直到生命的終點。現在，我們發表這篇論文，陳述了我們當前的理解。在論文中，我們描述了黑洞熵的一種計算方式。基本而言，熵就是黑洞除去質量和自旋後的另一種屬性。
這並非資訊悖論的最終解答，但我們認為，它提供了重大解題思路。進一步的研究有待展開，但我們覺得鬥志昂揚。在我們尋找能夠與量子力學相容的引力理論的過程中，資訊悖論是一個繞不過去的坎。
在巨集觀層面上，愛因斯坦的廣義相對論對時空和引力做了極為成功的描述。但在微觀層面上，要解釋物質的運動，離不開量子理論。在粒子物理學的“標準模型”下，除引力外，圍繞其他很多力的理論都大獲成功。比如，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機發現希格斯玻色子，就印證了這些概念。
希格斯玻色子
但如何將引力納入這一體系？對這個問題，我們依然束手無策。除了黑洞研究，霍金也曾進行其他探索，希望能將引力與自然界的其他力統一起來，從而把愛因斯坦的理論與量子理論統一起來。我們的黑洞研究也為解答後一個謎團提供了思路。
若是霍金依然在世，看到這些持續了半個世紀的謎團有望解開，他定會和我們一樣激動。
翻譯 | 丁波 丁盈幸
來源 | The Guardian
校對 | 其奇
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