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2016年12月6日 星期二

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霍金悖论黑洞之父:霍金

1975年,霍金创立了闻名世界的理论体系,让黑洞的概念家喻户晓。这一理论主要是说,黑洞不可能透露出东西,所有那些被它吞噬的东西将永远置身于我们的宇宙之外。这一论断被一些人称为“霍金悖论”(为了解决“悖论”从而引发了平行宇宙的概念,或者说有多个宇宙共存的说法),因为它与量子理论向抵触。量子理论在原子的水平上对宇宙加以描述,推断出信息是从来不会丢失的。如今,霍金已修改了黑洞理论,认为黑洞是可以“从新开放”的,所吞噬的信息可以以另一种形式释放出来,就像生活中的燃烧一样,只是信息的转化而已。

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(图)霍金悖论霍金悖论基本简介

经过29年的思考斯蒂芬·霍金表示、他以前对黑洞的看法是错误的。2004年7月14日,这位剑桥大学的著名物理学家正式发表了一篇论文,认为黑洞这种由星体残骸演化成的漩涡会保留被吞噬物体的痕迹、而且终将释放出少量被撕碎的物质。

霍金激进的新理论颠覆了他30年来为了科学地解释黑洞悖论而进行的努力:被吸入黑洞的物体怎样才能真正消失,不留一点痕迹呢长期以来他一直是这样认为的,而亚原子理论认为物质的形式可以相互转换,但不可能完全消失。此前、霍金坚持认为、黑洞会摧毁其中所包含的一切微小信息,然后只是正常向外辐射能量。在第17届国际广义相对论和万有引力大会上,霍金提出了令人难以置信的新的计算结果,认为黑洞能够将吞噬的物质慢慢释放出来,而且吸收和释放的方式都只有一种。

62岁的霍金说他不再相信20世纪80年代的理论、当时的理论认为黑洞可能可以通往另一个宇宙空间,这正好可以用来解释被黑洞吞噬的物质和能量去了哪里。霍金站在粒子物理学家一边、长期以来,粒子物理学家们坚持认为任何被黑洞吞噬的物质都不会凭空消失,最后必然以一种特殊的方式释放出来。霍金面对来自50个国家的大约800名物理学家和其他科学家发表了演讲,他说:(黑洞里)没有我曾设想过的子宇宙分支,物质信息仍然牢牢地保存在这个宇宙里。我很遗憾这让科幻迷们失望了,但如果物质信息被保存了,就不可能利用黑洞去别的宇宙空间旅行。如果跳进一个黑洞,物质能量将以一种被撕裂的形式返回到宇宙中、其中包含以前的信息,但是已经处于无法辨认的状态。

霍金的新理论在物理学权威中激起了怀疑和困惑的浪潮。霍金在发表演讲时,其中的两位领军人物英国哥伦比亚大学威廉·翁鲁芝加哥大学罗伯特·沃尔德不断耸肩摇头表示怀疑。黑洞专家沃尔德说:霍金完全改变了他自己以前的观点、霍金以前认为进入黑洞的一切都会被冲走。现在他相信从黑洞释放出的任何物质都能追溯到来源。他已经偏离了仍然坚信的理论。

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所谓黑洞,是时空的一个区域,这个区域内的引力非常强大,以至于任何东西,甚至光都不能从中逃逸出来。长期以来,科学家们认为黑洞会吞噬一切。但1974年,霍金提出,黑洞一旦形成,就会“蒸发”辐射出能量,同时损失质量,这种辐射亦称为“霍金辐射”。

霍金这一理论是黑洞研究中的一个重大进展。但与此同时,他又制造出了一个新的难题。霍金在1976年的另一篇论文中对此做出阐述:黑洞辐射并不含有任何黑洞内部的信息,在黑洞损失殆尽之后,所有信息都会丢失。而根据量子力学的定律,信息是不可能被彻底抹掉的,霍金的说法产生了矛盾,这就是“黑洞信息悖论”。

当时霍金辩称,黑洞的引力场过于强大,量子力学的定律并不适用,但他这种解释并不令学术界感到信服。哈佛大学物理学家施特勒明格就直言“我并不相信霍金1976年的理论,尽管我不知道他的计算到底错在哪里”。

霍金悖论 - 理论推翻 [回目录]

(图)霍金悖论霍金悖论霍金自己推翻自己的理论

1976年,霍金称自己通过计算得出结论,他认为黑洞在形成过程中,其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是著名的“霍金辐射”理论。但是,理论中提到的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,其中的所有信息就都随之消失了。这便是所谓的“黑洞悖论”。

这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。近30年来,霍金试图以各种推测来解释这一自相矛盾的观点。霍金曾表示,黑洞中量子运动是一种特殊情况,由于黑洞中的引力非常强烈,量子力学在此时已经不再适用了。但是霍金的这种说法并没有得到科学界众多持怀疑态度学者的信服。如今,霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称,黑洞从来都不会完全关闭自身,他们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量,随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。

这一重大研究成果还没有公开以论文的形式发表,已经在学术界引起了轩然大波。霍金在剑桥大学的同事、著名的物理理论学家马尔科姆·佩里博士表示,“霍金在这次研讨会上提出的观点也许是一种可行的解决方案。但是具体是否能得到最终认可,我看还需要由大家说了算。”但他认为,霍金最新的研究成果将可以和30年前发表的“霍金辐射”相媲美。

物理学家科特·卡特勒在接受《新科学家》杂志的访问时说:“霍金发出了一个信息,他似乎在说‘我已经解决了黑洞理论中的矛盾之处,我想就此发表一些新的看法’。但是我们作为该信息的接受者,预先却并没有看到任何有关的书面阐述。作为对霍金本人的尊重,根据他的名誉,我只能暂且先接受这种说法。”。

霍金悖论 - 有待证实 [回目录]

(图)霍金悖论霍金悖论有待证实

对于霍金教授抛出的黑洞新论,北京师范大学赵峥教授认为霍金关于黑洞的最新研究成果只有媒体消息,学术论文还没有发表,所以这一新的理论还有待证实。专家指出,上世纪70年代,霍金提出的“黑洞热辐射”理论是20世纪最杰出的理论物理成就之一,但当时这一理论的一些观点受到了量子物理学者的质疑,科学家们认为被黑洞“吞掉”的物质的信息最终将会随黑洞一起消失,在量子物理的角度上是无法解释的。为此,30年来学术界一直存在着争论,此次霍金提出的新观点――黑洞在某一时间,将会把它吞掉的信息释放出来,从表面上看弥补了他以前理论的缺陷,但是这也不足以肯定这一理论就是正确的。赵教授解释,物质所包含的信息并不像质量或能量一样具有守恒的性质,因此霍金此前的信息消失理论并不是完全无法接受的。

从20世纪60年代到80年代,黑洞研究取得了重大进展。最初人们认为黑洞是一颗死亡了的星体,什么东西都可以掉进去,但任何东西都跑不出来。1974年霍金证明黑洞有温度、有辐射。霍金辐射的发现使黑洞和霍金本人都变得家喻户晓。

20世纪80年代以后,黑洞研究的重点逐渐从温度转向信息佯谬。人们早已知道,黑洞外部观测者会失去形成黑洞以及后来落入黑洞的物质的几乎全部信息,这就是“无毛定理”。所谓“毛”是指“信息”。黑洞只剩下总质量、总电荷和总角动量3根“毛”可以被外界探知。人们最初认为,虽然外部观测者不能探知黑洞内部物质的信息,但这些信息并没有从宇宙中消失,只不过隐藏在了黑洞的内部。霍金辐射发现之后,人们知道黑洞中的物质最后将全部转化为热辐射,而热辐射几乎不带出任何信息。这样,形成和落入黑洞的物质的信息将从宇宙中消失,信息不再守恒,不仅重子数守恒、轻子数守恒等定律不再成立,量子论的幺正性也将受到破坏。面对如此严重的理论困难,物理学家展开了激烈的争论。理论物理学家大都相信信息守恒,坚信幺正性这一量子论的基石不会被破坏。总之,信息应该守恒。以霍金和索恩为代表的相对论专家则认为信息不一定守恒,幺正性完全有可能被破坏。为此,霍金和索恩与坚信信息守恒的普瑞斯基打赌。

“这种理论从诞生之初就遇到了麻烦:它同很多科学家坚持的“信息守恒定律”互为矛盾。这一度被人们称为“黑洞悖论”。”如同19世纪的科学家断定了能量守恒定律一样,20世纪的许多科学家提出了信息守恒一说——假如这个说法成立,那么“信息守恒定律”无疑将成为科学界最为重要的定律,也许比物质,能量守恒定律的意义更为深远。霍金的黑洞理论引起的激烈争执就是“信息”在黑洞中是否能够保存守恒。

霍金悖论 - 悖论启示 [回目录]

(图)身残志坚——霍金身残志坚——霍金

霍金的自我否定与其所持的朴素证伪主义科学观密切相关。霍金在科学理论的认识上有自己独特的见解。他认为,科学理论仅仅是一些模型或规则,而这些模型和规则“只存在于我们的头脑中,不再具有任何其他的实在性”。他还认为,简单性和解释力是一个“好的科学理论”必须满足的两个条件,但科学理论是不能证实的,在理论只是假设的意义上来说,“任何物理理论总是临时性的”。悖论是理论创新的突破口。霍金提出“黑洞悖论”,当时确实为科学界探索黑洞开创了全新的研究方向,但他的理论也存在一些与其他物理学理论相互矛盾的地方。其实,这次新发现将进一步完善霍金有关黑洞研究的理论体系。

霍金的自我否定,是他坚持实事求是的科学精神和敢于追求真理的理论勇气的生动体现。在他的身上,有科学家求真、求新的人格魅力。在攀登科学高峰的征途中,科学家总是在已知与未知的边缘上提出问题和解决问题。因而,科学家在研究中犯这样或那样的错误总是难免的。重要的是,科学家一定要保持对科学真理的执着追求和勇于探索的坚定信念。

霍金的自我否定,并非是心血来潮,也不是突然想改变他自己原先的理论。因为越来越多的理论证据迫使他不得不作出自我否定。据普雷斯基尔介绍,根据近年来弦理论家的一些研究成果,普雷斯基尔等人已经建立了一个强有力的以显示黑洞真的能保藏信息的理论模式。霍金一直以极大的兴趣跟踪着弦理论家的工作,但目前霍金的学术论文还没有发表,一切都难有定论。他的新理论是否正确还要经过多方的验证。

霍金悖论 - 参考资料 [回目录]
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标签: 科学

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更新时间 : 2009-05-16

词条创建者 : Smart_flash

编辑者 : 平静的宇

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