前霍金辐射与黑洞悖论

The black hole information paradox was formulated by Hawking forty years ago. Hawking claimed that the black hole formation and complete evaporation through Hawking radiation would lead to loss of predictability. This is because Hawking radiation is a pure thermal radiation and it is impossible to extract any information about the initial state through the thermal radiation. This paradox has confused many physicists. Many new solutions have been proposed, but it still has not been solved completely. In this study, we propose that before a black hole is formed, the matter also emits radiation during the collapse, which is called pre-Hawking radiation. Pre-Hawking radiation is not a thermal radiation and therefore it can be used to reconstruct the matter's initial state. We will reconstruct the matter's density and structure through pre-Hawking radiation. In order to reach this goal, we must extend Lorentz-Dirac equation and Unruh-DeWitt detector to a non-point particle case. Once we are able to study how matter radiates away energy before black hole is formed and how to properly include pre-Hawking radiation in the black hole final state, then there will not be loss of predictability of the final state and the paradox might be solved.

霍金于1970年代提出黑洞信息悖论。这个悖论困扰了理论物理学家四十几年,有许多解释方式被相继提出来,可是还没有被真正解决。该悖论指出黑洞形成后藉由霍金辐射释放能量。因为霍金辐射是热辐射,所以引力塌缩的物质的最后状态和其初始状态没有关系。这个论述违背了物理学的基本假设:系统在某一时刻的状态确定后将决定任何时间点的系统状态。其中一个可能的解决方案是部分信息在黑洞形成之前便以前霍金辐射的形式被释放, 所以黑洞形成后再考虑信息丢失是不完备的。本研究根据这个构想分为三方面做深入探讨:首先讨论不同质量分布的物质在坍塌形成黑洞时的前霍金辐射。再来讨论加速度坐标系里的物理现象。最后利用Unruh-DeWitt探测器研究前霍金辐射的表现方式。这三个方向的研究将有助于了解物质在引力场及加速度场里的演化过程。前霍金辐射可以用来重构物质形成黑洞前的物质分布,因此可以说明在形成黑洞的过程中初始态的信息如何被释放。

本研究针对黑洞辐射效应研究黑洞信息悖论的解决方法。研究考虑各种物质分布在塌缩形成黑洞的过程中生成的辐射的纠缠现象。研究中提出检验量子纠缠是否为虫洞的假说（ER=EPR）的检验方法、如何检验天文上的虫洞是否存在、证明强场产生的粒子对的自旋不处于最高纠缠的贝尔态、探讨黑洞促使真空衰变的过程并限制宇宙早期原初黑洞的丰度。黑洞信息悖论和黑洞辐射的粒子对的纠缠高度相关。本研究表明过去假设霍金辐射的粒子对处于最高纠缠态不是一个正确假设，黑洞参与这个过程也影响这个过程。因此黑洞信息悖论必须更警慎的推论。检验虫洞存在的方法引起国际重视;纽约时报、美国科学人... 等媒体都有报道。 ..另外我们讨论黑洞形成前的恒星和星系引力效应、强引力透镜、宇宙早期的引力波及物理、检验引力常数随时间的变化、及寻找暗物质。这些成果对于引力和黑洞形成过程都能提供重要的指引。黑洞形成过程中，物质如何塌缩和释放也是检验黑洞理论的一个重要参考要素。 ..本项目总共在国际知名期刊发表13篇文章。目前还有三篇相关文章在投。本经费所资助的研究学生已经有两名毕业。参与的博士后一名已获得教职。