黑洞发出的“霍金辐射”毕竟可以携带信息，史蒂芬霍金著名悖论的新解决方案表明。
物理学家史蒂芬霍金最著名的悖论之一可能最终得到解决：新研究表明，黑洞实际上可能掌握着有关创造它们的大质量恒星的信息。
研究表明，这些信息可能潜伏在黑洞周围的辐射中——俗称“量子毛发”——并且在理论上可以被检索以复述这些黑洞的起源。
这些发现发表在 3 月 6 日的 Physics Letters B.期刊上，可能最终解决霍金在他生命的最后几年一直致力于解决的一个棘手问题。
根据霍金的工作，辐射以热能的形式从黑洞中缓慢“泄漏”出来，后来被称为“霍金辐射”。 但由于其热性质，这种辐射不能携带信息。 这意味着随着黑洞蒸发，它们有条不紊地摧毁了所有关于创造它们的恒星的信息。 这违背了量子力学的定律，量子力学认为信息不会被破坏，并且物体的最终状态可以揭示有关其初始状态的线索。 这个问题几十年来一直困扰着宇宙学家，被称为“霍金信息悖论”。
“[这项研究] 是解决悖论的最后一颗钉子，因为我们现在了解了信息逃离腐烂黑洞的确切物理现象，”主要研究作者 Xavier Calmet，物理学教授 萨塞克斯大学通过电子邮件告诉我们。 他建议对霍金辐射进行修改，使其成为“非热辐射”，从而能够携带信息远离黑洞的最终命运。
黑洞问题
黑洞是一种质量如此之大的天体，任何东西都无法逃脱它们的引力，甚至连光也无法逃脱。 当巨大的恒星耗尽燃料并自行坍塌时，它们就会形成。
卡尔梅特说，在经典物理学中，黑洞是“非常简单的物体”。 “它们非常简单，可以用三个数字来表征：它们的质量、角动量和电荷。”
著名物理学家约翰惠勒用“黑洞没有毛发”来描述这种缺乏显着特征的现象。 但是，Calmet 解释说，虽然最终的黑洞非常简单，但诞生它的原始恒星是一个复杂的天体物理对象，由质子、电子和中子的复杂混合物组成，它们结合在一起形成构成化学成分的元素 那颗星的。
虽然黑洞不携带它们曾经是恒星的“记忆”，但量子物理学的规则表明，信息不能简单地从宇宙中抹去。 1976 年，霍金通过证明这些信息也不能无限期地存在于与外部宇宙隔绝的黑洞中，向这种宇宙药膏中引入了一只苍蝇。 霍金将量子力学规则应用于黑洞，建议它们发出一种热辐射，后来称为霍金辐射。 在很长一段时间内，这种辐射的泄漏导致黑洞完全蒸发，只留下真空。 这样，信息就无可挽回地丢失了。
“然而，这是量子物理学所不允许的，它假设这个黑洞‘生命’的电影可以倒带，”卡尔梅特说。 “从辐射开始，我们应该能够重建最初的黑洞，然后最终重建恒星。”
寻找黑洞的“头发”
自 2021 年以来，Calmet 与他的同事、密歇根州立大学理论物理学教授 Steve Hsu一起致力于破解霍金悖论。 在之前于 2022 年 3 月发表的一项研究中，该团队认为黑洞确实有“量子头发”，在它们周围的引力场中以独特的量子印记的形式存在
在他们的新研究中，该团队重新评估了霍金 1976 年的计算，但这次考虑了“量子引力”的影响 ——根据量子力学原理对引力的描述 ——这是霍金没有做过的事情。
“虽然这些量子引力修正微乎其微，但它们对黑洞蒸发至关重要，”卡尔梅特说。 “我们能够证明这些效应以这种辐射变成非热辐射的方式改变了霍金辐射。 换句话说，考虑到量子引力，辐射可以包含信息。”
虽然 Calmetand Hsu 之前的工作中提出的量子头发是一个抽象的数学概念，但该团队现在已经确定了信息通过霍金辐射逃离黑洞的确切物理现象，以及外部观察者如何检索它。 目前这是不可能的，因为它需要一种足够灵敏的仪器来测量霍金辐射，而这目前还只是理论上的。
Calmet 承认，目前天体物理学家没有真正的方法来衡量研究人员提出的影响，因为它是微不足道的。 相反，他建议推进这一理论的一种方法是通过研究地球实验室中的黑洞模拟。 该团队对霍金辐射和黑洞的数学建模在这些模拟中可能具有无可估量的价值。