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数学物理学

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Soft 头发s help resolve the 黑洞信息悖论

08 Jun 2016
Soft 头发: computer simulation of a supermassive black hole

40年来,物理学家一直在努力解决天体物理学家提出的问题 Stephen 霍金:黑洞似乎会破坏通过事件视界的所有信息。这种破坏造成了“黑洞信息悖论”因为它与确定论(科学的最基本原理之一)相矛盾。现在,霍金和两位同事认为,至少在某种程度上,他们可以找到解决该问题的方法,这要归功于保存信息的无质量粒子,即“soft 头发”,他们说应该包围黑洞。

在霍金使用量子力学描述黑洞边缘的事件之后,信息悖论于1970年代出现。广义相对论预测,每当诸如大恒星之类的大质量物体自身坍塌并产生引力场时,就会形成黑洞,以至于时空弯曲成一个闭环。这将创建一个无返回壳,称为事件视界,在该视界之外,任何物体和任何光线都将与宇宙的其余部分完全隔离。

量子力学指出,成对的虚拟粒子可以在真空中突然出现或消失,霍金考虑了在事件视界附近这种虚拟粒子会发生什么。他认为每对粒子中的一个粒子将被黑洞吞噬,而另一个粒子将被发射出来以创建我们现在所说的东西“Hawking radiation”。因为该辐射会去除黑洞中的能量,所以会导致黑洞蒸发并最终消失-在附近没有其他物质来源的情况下。

信息丢失

霍金意识到这一过程对信息的潜在破坏性影响。他得出的结论是,由于发射的辐射是在黑洞的边缘生成的,因此它只能告诉我们一个外部观察者无法了解的信息,即黑洞的值。’的质量,电荷和角动量。所有其他信息(换句话说,被吸入黑洞的单个物体拥有的三个数量中的每个数量)将永远丢失。

霍金’s colleague 安德鲁·斯特罗明格 哈佛大学教授解释说,量子力学就像经典物理学一样,告诉我们宇宙是确定性地发展的。只是确定的不是单个粒子的位置和动量的值,而是整个宇宙的波函数-包括测量装置。“人们很难接受在量子世界中,动量和位置不是绝对量,” he says. “但这与霍金所接受的相比显得微不足道’的说法是正确的。我们将不得不接受没有物理定律。”

现在,斯特罗明格,霍金和剑桥’s 马尔科姆·佩里 已经对黑洞信息悖论提出了解决方案,但要格外谨慎。两年前,斯特罗明格(Strominger)表明,广义相对论预示着自然界中无限数量的对称性,因此无限数量的守恒定律。他解释说,这使霍金背后的两个假设之一无效。’悖论也就是说,真空每个能级只有一个量子态。存在一个“degenerate”他说,真空在数学上等同于无限数量的可能的对称性,并且意味着一旦黑洞消失,信息就可以继续存在-以不同的真空状态编码。

可能从黑洞中逃脱的信息比以前认为的要多
哈佛大学的Andrew Strominger

新研究推翻的另一个假设是黑洞没有“hair” – a term coined by 约翰·惠勒 引用有关黑洞的任何信息’除了其总质量,电荷和角动量外霍金(Hawking),佩里(Perry)和斯特罗明格(Strominger)表明,跨越事件视界的电荷中包含的某些信息实际上仍为零能或“soft”光子散布在地平线周围,然后复制“soft 头发”。 Strominger解释说,“different 头发dos”发出具有不同光谱的霍金辐射,因此,“比以前认为更多的信息可能会从黑洞中逃脱。”

这一发现受到了其他物理学家的谨慎欢迎。 德扬·斯托伊科维奇(Dejan Stojkovic) 美国布法罗大学的学生认为这个想法是“worth pursuing”,但指出它只能解释进入黑洞的部分信息。他特别指出,由于真空状态以角动量来区分,因此具有相同质量和角动量的两个不同黑洞(例如由单个球形对称壳与两个同心壳相对的塌陷引起的)将变得难以区分。 。

防火墙问题

萨宾·霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder) of the Frankfurt Institute for Advanced Studies in Germany says that the new work should also help to solve what is known as the firewall problem, which posits a conflict between information-rich 霍金辐射 and general relativity’s equivalence principle. But she agrees that the proposed model is rather limited as it stands, pointing out that it deals with electromagnetic but not gravitational interactions. She also says that the authors fail to spell out exactly how the information in the 头发 becomes encoded into the 霍金辐射.

斯特罗明格(Strominger),佩里(Perry)和霍金(Hawking)在他们的论文中承认他们工作的局限性,并不声称他们已完全解决了信息悖论。“我们只是将一只脚放在另一只脚的前面,然后看看导致我们前进的地方,” says Strominger. “但是令人振奋的是,数十年来的第一次似乎在原始论点中发现了一个基本缺陷。”

这项工作在 体检信.

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