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更新日期:104年12月18日

臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心陳丕燊團隊
《黑洞殘骸與信息遺失悖論》發表國際頂尖期刊《物理學報》

臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心 (Leung Center for Cosmology and Particle Astrophysics,簡稱LeCosPA)的陳丕燊主任與該中心的助理研究員廉東翰博士,以及位於瑞典斯德哥爾摩的北歐理論物理研究所 (Nordic Institute for Theoretical Physics, 簡稱Nordita) 的王元君博士後研究員合作完成了一篇題為《黑洞殘骸與信息遺失悖論》(Black hole remnants and the information loss paradox) 的綜論。廉東翰博士來自韓國,一年前加入LeCosPA,而王元君博士來自馬來西亞,一年前畢業於臺大天文物理所。

這篇文章最近發表於國際頂尖期刊《物理學報》(Physics Reports)。此期刊過去年5年的影響係數平均值為24.573,比《Nature Physics》的5年影響係數平均值 (19.78) 還高。該論文可在2016年1月16日之前免費自期刊網頁下載。(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157315004391)。

2015年是愛因斯坦發表廣義相對論的百年周年紀念。而提到廣義相對論就很容易聯想到神秘的黑洞。黑洞的本質就是它只容許物體掉入而不會釋放任何物質,連光都無法逃離,因此只會越來越大。但是1974年著名的物理學家霍京教授 (Stephen Hawking) 發現如果把量子力學考慮在內,黑洞便會發射出粒子。這就是著名的霍京輻射 (Hawking radiation)效應。通過霍京輻射的過程,黑洞的質量會逐漸減少。換句話說,黑洞會漸漸蒸發掉。

物理學界很快就發現黑洞的蒸發帶來了一個大難題:掉進黑洞的物體既然逃不出來,那麽隨著黑洞蒸發掉後,原本掉進黑洞的物質的信息究竟哪裏去了?鑒於我們對量子力學的理解,信息必須要守恆,而黑洞霍京蒸發卻似乎違反了這個物理學上最重要的「戒規」。這就是所謂的「信息遺失悖論」 (information loss paradox)。在廿世紀兩個最具歷史性的物理學革命之間,到底是相對論出了毛病,還是量子力學?有一個想法是,大有可能信息是隱藏於看似雜訊的霍京輻射當中。2012 年,物理學界又發現要是信息可以經由霍京輻射被提取出來,那會導致黑洞的表面出現一道極高溫的「火牆」 (firewall),足以焚毀任何掉進黑洞的觀測者。然而跟據廣義相對論,掉進黑洞的觀測者在穿越黑洞表面時會安全通過,並不會感覺到任何異狀。所以「火牆」的概念是和廣義相對論互相矛盾的。因此這個悖論仍然無解。

文獻當中探討黑洞蒸發這個課題時,把黑洞殘骸 (black hole remnant) 這個可能性考慮進去的並不多。所謂黑洞殘骸,指的是黑洞並不會完全蒸發掉,而是到了接近最後階段時就停止蒸發,留下一個休止的黑洞殘骸。這個主張是從結合量子力學與廣義相對論的「廣義化測不準原理」所推論出來的。一般而言,這可能會發生在黑洞蒸發到和基本粒子差不多大小的時候。

這篇《黑洞殘骸與信息遺失悖論》論文討論了各種容許黑洞殘骸的理論模型,並且深入探討用黑洞殘骸這個概念來破解黑洞信息遺失悖論的可能性,以及它所帶來的各種新的課題與挑戰。這是世界上第一篇有關黑洞殘骸與信息遺失悖論的綜論。它不但能引導有興趣的入門者,也希望能夠拋磚引玉,啟發更多對相關課題的研究。 霍京輻射可能擕帶出所有原本掉進黑洞的訊息嗎? 40年來物理學家還是無解。

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