斯蒂芬·霍金在最后发表的论文中用黑洞“软毛”来解释著名的黑洞信息悖论

放大图/艺术家对黑洞的描述。这些奇怪的物体可能是量子引力理论的关键。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心/CI实验室

当著名物理学家斯蒂芬·霍金今年早些时候去世时，他留下了一份科学遗产，其中包括现代理论物理学中最有争议的悖论之一。现在他的最后一篇论文刚刚重新审视了信息是否可以从黑洞中重新获取，或者信息是否永远丢失的问题。该论文假设信息可以存储在黑洞周围“软毛”的光环中。

很久以前，物理学家们认为黑洞没有“毛发”。论文共同作者，剑桥大学的马尔科姆佩里（Malcolm Perry）在《卫报》上写道：“我们通常可以通过观察人们的头发来区分他们，但是黑洞似乎是完全无“毛发”的。”也就是说，你只需要利用数学来描述黑洞的质量和自旋以及它们的电荷。如果你把一些东西扔进黑洞里，不会有什么明显的变化，因为没有任何东西能提供关于那个物体可能有什么变化的线索。信息丢失了。

但在1974年，雅各布贝肯斯坦（ Jacob Bekenstein）意识到黑洞也有温度。霍金试图证明他是错的，但最终证明他是对的。最后，霍金得出结论说黑洞必须产生某种热辐射。所以黑洞也必须有熵——从技术上讲，这是一种确定有多少种不同的方式来重新排列一个物体的原子并且使它看起来几乎没变的方法。霍金是第一个计算熵的人。他还引进了“霍金辐射”的概念。

放大图/1979年10月，在新泽西州的普林斯顿大学的史蒂芬·霍金。图片来源:Santi Visalli/Getty Images（华盖创意）

在量子力学中，真空并不是完全意义上的空。物质/反物质对等所谓的“虚拟”粒子不断地出现，并且同样快的湮灭。但是如果一对物质/反物质对突然出现在黑洞的视界附近，其中一个落入黑洞，那么黑洞就会释放出一点点能量，从而使它的质量减少相应的量。随着时间的推移，黑洞会蒸发。黑洞越小，它消失得越快。

黑洞信息悖论的产生

故事的下一部分是从1991年的赌约开始的。霍金和加州理工学院物理学家基普·索恩(Kip Thorne bet)与加州理工学院的约翰·普雷斯基尔(John Preskill)打了一个赌，掉进黑洞的信息已经被摧毁了，永远也不能再返回来被获取。普雷斯基尔认为，随着黑洞的蒸发，它可能会保存在霍金辐射中。霍金和索恩反驳说，这样发布的任何信息都会被严重打乱，以致于毫无用处。从实际上来说，这些信息将会丢失。

2004年，当物理学家提出黑洞互补的概念时，这个悖论似乎得到了解决。在这种情况下，进入黑洞的信息同时反射回来。没有一个单一的观察者可以同时存在于事件视界之内与之外，所以没有人可以同时见证这两个事件。虽然仍然有一些的问题，但是这个论点说服了霍金，他也承认了这个赌注。普雷斯基尔收到了一份完整的可以随意获取信息的棒球拷贝：终极棒球百科全书作为他的奖品“。

但是，2012年的一篇重新审视这一悖论的论文又给工作带来了另一个麻烦。在思考从黑洞中获取信息的可能机制时，已故的约瑟夫波钦斯基（Joseph Polchinski）（加州大学圣芭芭拉分校）和他的三位同事意识到，三种被广泛认同的物理学基本观点不可能都是真的。有一个一定是错的，他们相信这是事件视界的本质。

在视界地平线上，掉进黑洞的观察者会被一堵火墙烧成一团。

传统观点认为，当有人越过视界时，他们不会注意到任何不妥之处。只有当他们靠近奇点的时候，会被极端的引力撕成碎片（索恩称这是“面条”(spaghettified)）。物理学家称之为“无戏剧”场景。但波钦斯基等人说，在视界地平线上，掉进黑洞的观察者就会被一堵火墙烧做一团。

这与几年前俄亥俄州立大学的弦理论学家萨米尔马瑟（Samir Mathur）的提议相似。马瑟认为，黑洞不是空空如也的坑，而是充满了表面像恒星或行星的弦（弦理论的基本单位）。波钦斯基所说的“火墙”本质上是一个热的“模糊球”。

放大图/不用悖论难倒物理学家的时候，霍金喜欢在流行的电视节目中担任配角。如图所示为他和谢尔顿库珀（吉姆帕森斯）在生活大爆 炸的片场。图片来源：哥伦比亚广播公司图片档案/华盖创意

但这只是解决悖论的最直接方案。在接下来的几年里，物理学家们不愿牺牲任何戏剧，他们提出了各种各样的替代解决方案。霍金在2014年发表在预印本网站arXiv.org上的一篇两页的论文中也是这样做的。这不是一篇有方程式等的技术论文，而是他在前一年的一次会议上所做的演讲的总结。

霍金提出，也许视界并不是任何东西都不能从黑洞逃离的一个明确的临界点。也许只有一个“明显的地平线”暂时限制了信息。这些信息不是储存在黑洞内部，而是在它的边界：事件视界。

黑洞的“软毛”

霍金的最后一篇论文建立在之前的见解之上。正如佩里所写的，他和另一位合著者，哈佛大学的安德鲁斯特罗明格，在数学论证中发现了一个空白，即黑洞没有毛发。在他们的新论文中，他们提出了一种新的计算黑洞熵的方法。他们表示可以记录在视界周围跳跃的光子（光的粒子）黑洞的熵。这些光子在黑洞周围形成了一种光环，作者称之为“软毛”。而这种软毛可以计算熵。

“我们不知道霍金熵包含你能扔到黑洞里的所有东西。”

霍金在论文发表之前就去世了。但佩里在接受BBC采访时表示，他在那之前给他的同事霍金打过电话——当时没有意识到那时候霍金是多么的不舒服——并通过扬声器告诉他他们的结论。佩里说:“当我解释的时候，他回以了一个大大的笑脸”。

到目前为止，理论物理学家们的反应一直是谨慎的。曾是霍金的学生，也是南安普敦大学的一名物理学家玛丽卡泰勒(Marika Taylor)告诉卫报:“这篇论文提出了一种基于事件视界的对称性来理解天体物理黑洞的熵的方法。作者必须做出一些非凡的假设，所以接下来我们准备证明这些假设是否正确。”

作者承认，这并不是黑洞信息悖论的完整解决方案，但它提供了有用的见解。佩里对卫报说:“我们不知道霍金熵包含你能扔到黑洞里的所有东西。”并在他自己的文章中补充道:“虽然我们还没有解决信息悖论，但我们希望我们已经为解决这个问题铺平了道路。”

JENNIFER OUELLETTE是Ars Technica的资深记者，特别关注科学与文化的结合，涵盖了从物理学和相关的跨学科话题到她最喜欢的电影和电视系列。詹妮弗住在洛杉矶。TWITTER @JenLucPiquant

重要名词解释：

• 黑洞信息悖论: 黑洞的存在和霍金辐射违反量子力学的基本要求－信息守恒。黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，最终黑洞将因为质量丧失殆尽而消失，而那些黑洞内部的信息也就不知去向。
• “软毛”: 黑洞周围真空中那些零能量状态的软粒子，包括低能量版本的光子、理论上应该存在的引力子等。
• 霍金辐射: “真空”的宇宙中，根据海森堡不确定性原理，会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子，然后瞬间消失，以符合能量守恒。在黑洞视界之外也不例外。斯蒂芬·威廉·霍金推想，如果在黑洞外产生的虚粒子对，其中一个被吸引进去，而另一个逃逸的情况。如果是这样，那个逃逸的粒子获得了能量，也不需要跟其相反的粒子湮灭，可以逃逸到无限远。在外界看就像黑洞发射粒子一样。这个猜想中的辐射被命名为“霍金辐射”。

原文来自arstechnica，原文题目：A HAIRY CONUNDRUM —Stephen Hawking’s final paper published, tackles famous paradoxBlack holes might have “soft hair,” the better to store information.由材料科技在线团队翻译整理。