理論物理學(xué)取得重大進(jìn)步 “量子毛發(fā)”理論或可解決霍金黑洞悖論

2022-03-21 09:54:33來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)  

英國(guó)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(gè)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(duì)論和量子力學(xué)。現(xiàn)在，來(lái)自英國(guó)蘇塞克斯大學(xué)科學(xué)家們說(shuō)，他們可能已經(jīng)通過(guò)證明黑洞具有一種被稱(chēng)為“量子毛發(fā)”的特性解決了這一問(wèn)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(xiàng)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(duì)論進(jìn)行潛在的重新表述。”他說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)，這是沒(méi)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(duì)這一定律構(gòu)成了挑戰(zhàn)，因?yàn)橐坏┪矬w進(jìn)入黑洞，該物體及其中編碼的任何信息基本上就會(huì)永遠(yuǎn)消失，不知去向。

科學(xué)家們已經(jīng)提出無(wú)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(xiě)量子力學(xué)定律或愛(ài)因斯坦的引力理論，而這將撼動(dòng)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(píng)論快報(bào)》雜志上提出“量子毛發(fā)”定理，聲稱(chēng)其通過(guò)使用一種新的數(shù)學(xué)公式來(lái)彌合廣義相對(duì)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(duì)基于經(jīng)典物理學(xué)的一種觀點(diǎn)的認(rèn)可，即黑洞可被視為極其簡(jiǎn)單的物體，如果知道了它的質(zhì)量、角動(dòng)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(lái)，科學(xué)家就用“無(wú)毛定理”來(lái)打趣“光禿禿的”、沒(méi)有特征的黑洞。

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

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

不過(guò)，目前尚未有明確方法通過(guò)天文觀測(cè)來(lái)檢驗(yàn)這一理論，因?yàn)橐Σ▌?dòng)太小而不易測(cè)量。但這一理論可能會(huì)受到嚴(yán)格審查。(張佳欣)

責(zé)任編輯：hnmd003

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