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悖论|霍金50年的“黑洞悖论”解谜：物质进入黑洞留下“量子毛”

据最新一期《物理评论快报》杂志刊发的两篇论文 ， 英国科学家已经解决理论物理学家霍金教授50年前首次提出的“黑洞悖论” ， 该悖论展示了一个令学界感到长久困扰的悬疑：一方面 ， 由于黑洞的引力强度 ， 没有任何东西可以离开黑洞；另一方面 ， 在量子力学中 ， 确实有东西被辐射出来 。
悖论|霍金50年的“黑洞悖论”解谜：物质进入黑洞留下“量子毛”
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霍金教授50年前提出的“黑洞悖论”终于被破解 。
据报道 ， 霍金教授的“黑洞悖论”提出 ， 黑洞其实并非“全黑” ， 进入黑洞的物质在其“视界”处（event horizon）会产生一对纠缠的粒子和反粒子 ， 一个进入黑洞 ， 另一个逃逸 ， 这对粒子的状态是正好相反 。
可是 ， “黑洞悖论”将量子力学与广义相对论对立起来 ， 因为根据后者 ， 黑洞的引力强度足以让任何东西都不能离开 。
悖论|霍金50年的“黑洞悖论”解谜：物质进入黑洞留下“量子毛”
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物质在进入黑洞时会在黑洞上留下非常精细的印记 ， 即所谓"量子毛" 。
英国苏塞克斯大学的一个研究小组发现 ， 物质在进入黑洞时会在黑洞上留下非常精细的印记 ， 即所谓"量子毛"（quantum hair） ， 提供了一种将量子和相对论问题联系起来的机制 。 这个解决方案允许黑洞视界在量子力学下保留物质的信息印记 ， 同时也确保在相对论下"没有东西可以逃脱"黑洞引力 。
在第一篇论文中 ， 研究小组证明了黑洞比原先理解的更为复杂 ， 它的引力场在量子水平上编码了关于它们如何形成的信息 。
卡尔梅特（Xavier Calmet）教授及其同事的这一发现被称为“量子毛源自重力”理论 。
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卡尔梅特教授及其同事已经证明 ， 黑洞确实有某种形式的"毛" ， 由引力形成 。
这个有趣的名字是对物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）在20世纪60年代提出的一个想法的回应 。
惠勒的“无毛理论”认为 ， 黑洞除了总质量、自旋和电荷之外缺乏任何可观察的特征 。 卡尔梅特教授及其同事已经证明 ， 黑洞确实有某种形式的"毛" ， 由引力形成 。
科学家们已经证明 ， 当量子引力修正被考虑在内时 ， 坍缩到黑洞中的物质会在黑洞的引力场中留下一个印记 ， 这就是所谓的“量子毛” 。
在一篇后续论文中 ， 卡尔梅特教授和来自密歇根州立大学的共同作者斯蒂芬·徐（Stephen Hsu）教授证明他们的"量子毛"解决了霍金的黑洞信息悖论 。 "量子毛"提供了信息在黑洞坍缩过程中被保存的机制 ， 因此解决了现代科学最著名的难题之一 。
论文共同作者、来自博洛尼亚大学的理论物理学教授罗伯托·卡萨迪奥（Roberto Casadio）在解释“量子毛”的发现时表示 ， 这项研究的一个关键方面是黑洞的形成方式 。
悖论|霍金50年的“黑洞悖论”解谜：物质进入黑洞留下“量子毛”
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最新的研究表明 ， 在视界后面（黑洞内部）物质的量子状态和外面的引力子的状态之间存在着错综复杂的纠缠 。
黑洞是由紧凑物体坍缩形成的 。 根据量子理论 ， 黑洞的内部和外部之间没有绝对的分离 ， 在经典理论中 ， “视界”作为一个完美的单向膜 ， 不会让任何东西出去 。
但是 ， 在量子理论中 ， 坍塌并形成黑洞的物质状态继续影响外部的纠缠状态 。
徐教授表示 ， 因果视界的概念是黑洞概念的核心 ， 在经典物理学中 ， 位于视界后面的东西不能影响黑洞的外部 。 最新的研究表明 ， 在视界后面（黑洞内部）物质的量子状态和外面的引力子的状态之间存在着错综复杂的纠缠 ， 这种纠缠使得黑洞内部的量子信息能够“编码”在逃往无限远的霍金辐射之中 。
【悖论|霍金50年的“黑洞悖论”解谜：物质进入黑洞留下“量子毛”】文/南都采访人员 陈林

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