霍金临终论文公开：揭秘沉入黑洞的信息去向
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一璞 李根 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
最后一篇署名Stephen W. Hawking的论文，公开了。
没错，正是那位今年3月14日逝世的著名物理学家——史蒂芬·霍金。
这是他生前参与的最后一篇论文，甚至知晓论文更新时，霍金的回应已经非常艰难。
当是时，远在美国哈佛的合作者Perry和Strominger，通过视频向霍金汇报最新进展，却不知霍金已近油尽灯枯。
“他已很难与人沟通，在我们打开扬声器，解释完研究的最新进展，他以一个‘大笑脸’作为回应。”
然而谁也没想到，几天之后，霍金就此与世长辞。
那么现在问题来了，这篇霍金生前的最后之作，究竟在研究什么？
黑洞信息悖论
这篇论文名为《Black Hole Entropy and Soft Hair》，署名作者共4人。
一作Sasha Haco，剑桥大学博士生，霍金的“徒孙”；二作霍金；三作Malcolm Perry，剑桥大学教授，霍金的博士生；四作 Andrew Strominger，哈佛大学教授。
论文主要解决的是“黑洞信息悖论”问题。
这一难题起源可追溯至爱因斯坦。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。除此之外，所有的黑洞都一模一样，特质被剥夺殆尽。
60年后，霍金提出了他此生最重要理论——黑洞蒸发理论，即通常所说的“霍金辐射”。
如果将量子理论也计算进去，霍金发现黑洞并不是完全“黑”：它会向视界外辐射光子和少量带质量粒子，黑洞的质量随之逐渐变小，蒸发速度越来越快，最终消亡。
然而，量子力学的一个基本规则就是信息永不消失。如果一个物体被黑洞吞噬，当黑洞本身最后都消失了，物体包含的信息都去哪儿了？
更具体来说，物理学中的信息指的是每个粒子的特定状态，包括粒子的质量、位置、旋转方式、温度等，还有人的名字、指纹信息这些广义上的信息。
而黑洞，众所周知是一种密度极大的物体，可以将黑洞附近的一切物体甚至包括光都吸进去。随着这个过程，黑洞吸走的不仅是物体，还包含信息。
一直以来，人们都认为这些信息将会永远被封存在黑洞中。直到1975年，“霍金辐射”认为，黑洞是有温度的，而且黑洞终将蒸发，蒸发后一无所有。黑洞原有的质量和能量回到了宇宙中。
这就与量子力学的基本原理产生了一个悖论：
黑洞中消失的信息 VS 信息永不消失的量子力学规则。
后来，霍金意识到，1975年的想法可能是个bug，黑洞根本不会蒸发。当霍金辐射逃逸时，黑洞内的信息也泄露了出来，信息依然还在宇宙中，并没有消失。
光子“软毛”
所以论文《黑洞熵与软毛发》提出了一个新的观点，用来解释那些从黑洞中泄露出来的信息去了哪里。
由于黑洞本身引力巨大，导致它的周围附近不太可能有其他什么物质，因此，你可以将黑洞理解为一个发际线已经消失的“秃子”。
而光子，则是黑洞附近柔软的“毛发”，可以记录黑洞的“熵”。
任何有温度的物体，都有熵，黑洞也不例外。熵基本上是对人们所了解的黑洞的质量或旋转的定量测量。
这篇论文，正是给出了“软毛发理论”的计算方法。
但最大的遗憾是，霍金已无法继续参与并推动下一步，为人类更深入揭示宇宙未知的奥秘。
意义
论文公开后，业内普遍认为，这是对霍金科研生涯的最好收尾，这篇论文收集了霍金关于黑洞量子结构最后的一些研究成果，而过去40年里，霍金都在研究该主题。
但这只是整项研究历程中一步，还不是最后的完整的答案。
论文合著者、霍金的博士生Malcolm Perry教授说：
在此之后，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，来验证霍金的伟大思想。
他还表示，霍金临终前知晓了研究进展，我们正在给这个难题带来一缕曙光。只是他再也无法跟我们分享激动之情了。
几位合著者还在此次论文开头，表达了对霍金的敬意：
失去我们深爱的朋友与合著者史蒂芬·霍金，我们深感悲痛，他对黑洞物理学的贡献直至生命最后一刻，也会始终激励我们，直到生命尽头。
三位霍金的合著者
顺便介绍下这篇霍金终作的其他三位合著者。
在这篇论文中，霍金是第二作者。
论文一作Sasha Haco，剑桥大学应用数学与理论物理系博士，哈佛大学自然基本定律中心访问学者，主要研究天体物理学。
Sasha其实是霍金的小粉丝，中学时，她受到霍金《时间简史》的启发，决定大学读物理学，2015年进入博士研究阶段，师从霍金的学生Malcolm J. Perry教授。
三作Malcolm J. Perry，就职于剑桥大学应用数学与理论物理系，担任理论物理学教授。
他是霍金的博士生，前面一作妹子的老师。博士毕业后，Perry先去了普林斯顿大学，后来回到剑桥，研究广义复杂结构和弦论，2016年开始和霍金一同研究黑洞物理学，并发表了许多黑洞热力学方面具有影响力的作品。
最后一位作者Andrew Strominger，理论物理学家，Calabi-Yau弦论紧凑化的共同发现者，曾在2016年获得基础物理学突破奖。
他就职于哈佛大学自然基本定律中心，任Gwill E. York物理学教授。Strominger博士毕业于MIT，在哈佛担任教授前，他曾在UC圣塔芭芭拉任教。他主要研究力和粒子的统一、宇宙的起源以及黑洞和黑洞表面的量子结构。
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