【按照廣義相對(duì)論，可憐掉入黑洞的宇航員在穿過(guò)一去不復(fù)返的視界時(shí)，大概不會(huì)感覺(jué)到任何特殊才對(duì)。量子力學(xué)卻需求，黑洞視界之內(nèi)存在一道火墻，會(huì)將宇航員剎那間焚成灰燼。圖像來(lái)歷：《自然》】

（文/Anil Ananthaswamy）“在物理學(xué)中，悖論是個(gè)好東西，”約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）說(shuō)，“它們會(huì)向你指明通往重要發(fā)現(xiàn)的路途?！痹诹孔恿W(xué)和愛(ài)因斯坦的相對(duì)論中有許多這樣的悖論。有只貓，它能夠在同一時(shí)間即是死的又是活的。或許類似《回到未來(lái)》電影中的時(shí)間旅行者，他能夠殺死自個(gè)的祖父，使自個(gè)無(wú)法降生。又或許，雙胞胎中的一個(gè)接近光速往返一顆鄰近恒星，聚會(huì)后他們會(huì)對(duì)彼此的年齡發(fā)作異議。每一個(gè)令人費(fèi)解的窘境都迫使咱們?nèi)徱暭?xì)節(jié)，從而促進(jìn)咱們了解它背后的理論。愛(ài)因斯坦就是一個(gè)典型的例子，他的相對(duì)論就源自于解決他的時(shí)間悖論而作出的努力。

現(xiàn)在普瑞斯基爾，這位美國(guó)加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家，正在絞盡腦汁苦苦思索浮出水面的最新一則悖論。它被昵稱為“黑洞火墻悖論”，事關(guān)有人掉入黑洞時(shí)到底會(huì)發(fā)作些啥。

間隔咱們最近的黑洞也在1000光年之外，因而這個(gè)疑問(wèn)純粹是個(gè)理論疑問(wèn)。然而，正是通過(guò)研討這樣一種能夠性，物理學(xué)家期望能夠獲得突破，測(cè)驗(yàn)將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)一成量子引力理論——這也是現(xiàn)代物理學(xué)中最棘手的疑問(wèn)之一。

黑洞信息

黑洞長(zhǎng)久以來(lái)一直是繁殖悖論的肥沃溫床。早在1974年，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和以色列希伯來(lái)大學(xué)的雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）就證明，黑洞并不是全黑的。相反，它們會(huì)輻射出能量，被稱為霍金輻射，由光子和其他量子粒子構(gòu)成——這個(gè)過(guò)程極端緩慢，但最終會(huì)導(dǎo)致黑洞完全蒸騰。

霍金發(fā)現(xiàn)，這個(gè)理論存在一個(gè)疑問(wèn)。這種輻射看上去相當(dāng)隨機(jī)，因而霍金估測(cè)它不能夠攜帶任何與掉入黑洞的物質(zhì)有關(guān)的信息。因而，隨著這個(gè)黑洞蒸騰殆盡，它擁有的信息最終一定會(huì)消失。然而，這與量子物理的核心宗旨直接沖突，由于量子物理以為信息不能夠被消滅。黑洞信息悖論就此誕生。

幾十年來(lái)，物理學(xué)家一直在努力解決這個(gè)悖論?；艚鹪詾槭呛诙凑Я诵畔ⅲ蛄孔恿W(xué)提出了質(zhì)疑。其他人并不贊同這一觀點(diǎn)。畢竟，霍金的想法源自于他本人對(duì)融合廣義相對(duì)論和量子力學(xué)所做的測(cè)驗(yàn)——這一數(shù)學(xué)壯舉本身的通俗迫使霍金必須要作一些近似才行。普瑞斯基爾乃至和霍金打賭，押黑洞不會(huì)炸毀信息。

有幾個(gè)論據(jù)指出，霍金錯(cuò)了。最令人信服的一個(gè)論據(jù)，來(lái)自于這樣一種思考——蒸騰中的黑洞變得越來(lái)越小會(huì)發(fā)作啥？若是信息無(wú)法逃逸，也無(wú)法被炸毀，就會(huì)有越來(lái)越多的信息被儲(chǔ)存在越來(lái)越小的體積之中。侯海洋基層風(fēng)云 可是，若是是這樣的話，量子理論預(yù)言，無(wú)論在哪里，只要物質(zhì)之間發(fā)作碰撞，發(fā)作一個(gè)微型黑洞的概率就會(huì)從幾乎為零提高到無(wú)窮大。“你大概會(huì)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里看到黑洞，也大概會(huì)在費(fèi)米試驗(yàn)室里看到黑洞，還大概在上世紀(jì)30年代那些房間那么大的粒子加速器里看到黑洞，”美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的理論學(xué)家唐·馬羅夫（Don Marolf）說(shuō)，“乃至當(dāng)你在草地上跳來(lái)跳去時(shí)，你也大概看到黑洞才對(duì)?！?/p>

顯然，這些并沒(méi)有發(fā)作。而另一種能夠性，即物質(zhì)和它攜帶的信息能夠從黑洞中走漏出來(lái)，則是不太能夠的。任何落入黑洞的物質(zhì)都必須要以超光速運(yùn)動(dòng)才能逃脫黑洞可怕的引力。

也許，答案就藏在霍金輻射之中。它或許并沒(méi)有那么隨機(jī)?！俺Ｒ?jiàn)的一個(gè)反應(yīng)是，霍金只不過(guò)是大意了，”同在加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的約瑟夫·波爾欽斯基（Joseph Polchinski）說(shuō)，“信息并沒(méi)有丟失，只是霍金沒(méi)有一直追蹤它們到底?！?/p>

然而，試圖解決這一悖論的一切早期測(cè)驗(yàn)，都被證明是不成功的。波爾欽斯基說(shuō)：“霍金發(fā)現(xiàn)了一個(gè)真正深刻的疑問(wèn)?！?/p>

霍金后來(lái)在2004年改動(dòng)了主見(jiàn)，部分原因在于阿根廷物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)薩納（Juan Maldacena）所作的研討。他承認(rèn)，黑洞最終沒(méi)有炸毀信息。他向普瑞斯基爾實(shí)現(xiàn)了賭注，送給他一本棒球百科全書(shū)。普瑞斯基爾曾將棒球比喻成一個(gè)黑洞，由于它們都很重，并且從中獲取信息都要頗費(fèi)一番功夫。

進(jìn)入深淵

物理學(xué)家的注意力很快就搬運(yùn)到了信息如何逃離黑洞上來(lái)。這個(gè)疑問(wèn)并不容易回答。正是在探究這些疑問(wèn)的過(guò)程中，新的黑洞火墻悖論成了人們重視的焦點(diǎn)。

若是信息真從黑洞中逃逸出去，會(huì)發(fā)作啥事情？一些物理學(xué)家對(duì)此已經(jīng)猜測(cè)了很久，但即便是對(duì)他們而言，火墻也仍是一個(gè)有目共睹的新名詞。要了解它的含義，咱們需求簡(jiǎn)單描繪一下霍金輻射。侯海洋基層風(fēng)云 空無(wú)一物的時(shí)空會(huì)不斷地構(gòu)成虛粒子對(duì)，從虛無(wú)中突然冒出來(lái)，又同樣迅速地消失。這種情況在黑洞的事情視界附近會(huì)發(fā)作改動(dòng)，由于對(duì)于掉入黑洞的任何東西而言，事情視界是一去不歸的界線。偶然，虛粒子對(duì)中有一個(gè)被吸入黑洞，另一個(gè)則逃逸出去。正是這些逃離黑洞的罕見(jiàn)粒子，構(gòu)成了霍金輻射。

【真空中不斷構(gòu)成的虛粒子對(duì)又會(huì)在剎那間湮滅，但在黑洞的事情視界附近，情況會(huì)有所不同。成對(duì)構(gòu)成的虛粒子中的一個(gè)落入黑洞，剩余的另一個(gè)則逃逸出去，構(gòu)成了霍金輻射。圖像來(lái)歷：xs1234.com】

現(xiàn)在，若是霍金輻射帶走了量子信息，就會(huì)發(fā)作一個(gè)疑問(wèn)?；艚鹱顐ゴ蟮亩匆?jiàn)就是，他證明了量子理論、廣義相對(duì)論和熱力學(xué)如何與黑洞全都聯(lián)系在一起。這意味著，虛粒子對(duì)中落入事情視界內(nèi)側(cè)的那一個(gè)粒子能量會(huì)變得極高，足以把信息傳送給黑洞外部的同伴粒子，由此它們便構(gòu)成了一道火墻，熾熱得足以焚毀任何落入黑洞的人或物。

這與廣義相對(duì)論通知咱們的黑洞特性嚴(yán)重相左。事實(shí)上，這樣的火墻看上去是如此荒謬，以至于物理學(xué)家已經(jīng)著手尋找其他方式，讓黑洞無(wú)須“違規(guī)”即可向外傳遞信息。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的史蒂夫·吉丁斯（Steve Giddings）已經(jīng)提出了一種能夠性。他在美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)薩米爾·馬瑟（Samir Mathur）所作研討的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的黑洞模型。他的研討表明，若是量子理論在事情視界附近失效，黑洞內(nèi)部的信息就有能夠傳送到遙遠(yuǎn)的外部區(qū)域，從而避免構(gòu)成火墻。

疑問(wèn)在于，為了讓這個(gè)模型能夠奏效，吉丁斯不得不背棄“信息傳播不能快過(guò)光速”這一禁忌。另一個(gè)疑問(wèn)是，他無(wú)法確切指出，量子理論大概在時(shí)空中的啥方位失效。盡管如此，這仍是一個(gè)誘人的想法。

于是，波爾欽斯基和他的學(xué)生——艾哈邁德·阿勒姆赫伊利（Ahmed Almheiri）和詹姆斯·薩利（James Sully）也投身到了其中。他們當(dāng)時(shí)以為，把吉丁斯的模型和美國(guó)斯坦福大學(xué)倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）所作的早期研討結(jié)合起來(lái)，他們就能破解這一難題。

這意味著，他們要改造這一黑洞模型，讓它能夠與薩斯坎德提出的3個(gè)假定保持一致——這些假定被許多物理學(xué)家所珍愛(ài)。其中一個(gè)假定自然是，信息不會(huì)隨著黑洞的蒸騰而丟失。其他假定則與一些思維試驗(yàn)有關(guān)，涉及到兩位正在接近黑洞的觀測(cè)者，一個(gè)名叫愛(ài)麗絲，另一個(gè)叫鮑勃。英勇的愛(ài)麗絲越過(guò)了黑洞的事情視界，謹(jǐn)慎的鮑勃?jiǎng)t呆在外面。

根據(jù)第2個(gè)假定，呆在黑洞外面的鮑勃不會(huì)看到任何不尋常的東西。第3個(gè)假定則是，愛(ài)麗絲在穿過(guò)事情視界時(shí)也不會(huì)看到任何怪異的事情。這是由于事情視界并非一個(gè)物理邊界，它只是輕微曲折的普通時(shí)空中一塊普通的真空區(qū)域算了。

波爾欽斯基及其搭檔調(diào)和全部3個(gè)假定的測(cè)驗(yàn)沒(méi)有成功——若是信息不丟失，火墻就仍然會(huì)存在，愛(ài)麗絲則會(huì)被燒成灰燼。但失敗并沒(méi)有讓他們泄氣。波爾欽斯基說(shuō)：“你先測(cè)驗(yàn)去做某件事情，若是失敗了，那還能夠試著去證明，這件事不能夠成功?！?/p>

他們的搭檔馬羅夫也加入進(jìn)來(lái)，展開(kāi)了這項(xiàng)新的測(cè)驗(yàn)。2012年7月，他們宣布了一篇論文，證明這3個(gè)假定無(wú)法一起成立（參見(jiàn)arxiv.org/abs/1207.3123）。這引發(fā)了一場(chǎng)爭(zhēng)論風(fēng)暴：已經(jīng)有40多篇論文在討論這項(xiàng)研討，其中一篇以為他們的答案忽略了引力。

相對(duì)論慘敗

若是霍金輻射確實(shí)把量子信息帶出了黑洞，就像許多人以為的那樣，那么量子力學(xué)對(duì)此就有話要說(shuō)。比如說(shuō)，在黑洞構(gòu)成之初通過(guò)霍金輻射逃離黑洞的粒子A，量子理論預(yù)言，它會(huì)跟不知道多久之后逃出來(lái)的另一個(gè)霍金輻射粒子存在某種鬼魅般的關(guān)聯(lián)，也就是量子羈絆。

現(xiàn)在，想象一個(gè)粒子B，它發(fā)作的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于A。粒子B是黑洞視界上構(gòu)成的粒子對(duì)中的一個(gè)，另一個(gè)粒子C已經(jīng)落入了黑洞。假定視界處的時(shí)空沒(méi)有什么特殊，只具有輕微的引力和較小的曲率，這就使得視界處構(gòu)成的虛粒子彼此會(huì)羈絆在一起。侯海洋基層風(fēng)云 。因而，B一定與C羈絆。可是，由于早期的霍金輻射一定與后來(lái)的霍金輻射相羈絆，因而B(niǎo)與A也相互羈絆?？上В@違背了量子力學(xué)中另一條被物理學(xué)家珍愛(ài)的原則，被稱為量子羈絆的專一性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，粒子B能夠與A羈絆，也能夠與C羈絆，但不能跟兩者一起羈絆。

于是，這個(gè)難題兜了一圈又回到了原點(diǎn)。若是咱們想把信息弄出黑洞，A就必須與B羈絆。若是咱們要讓事情視界處的時(shí)空沒(méi)啥特殊，能夠讓愛(ài)麗絲掉入黑洞而不被燒成灰燼，那么B就一定與C羈絆。必須得拋棄一些東西才行。那么，該被拋棄的，會(huì)是量子力學(xué)，還是廣義相對(duì)論？

先看量子力學(xué)和它預(yù)言的信息守恒。它們會(huì)是錯(cuò)的嗎？波爾欽斯基以為這不能夠，由于馬爾達(dá)薩納的研討工作是最強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)論證之一，撐持量子力學(xué)保持原樣不變。更重要的是，量子力學(xué)是一個(gè)已經(jīng)經(jīng)受過(guò)極端嚴(yán)格檢驗(yàn)的理論，即便是纖細(xì)的改動(dòng)也會(huì)使它偏離試驗(yàn)結(jié)果。

另一個(gè)選擇是，質(zhì)疑黑洞視界處真空的狀況。若是視界兩側(cè)的粒子B和C不再羈絆，量子羈絆的專一性就不會(huì)遭到損壞?？墒?，損壞這種羈絆會(huì)讓黑洞的事情視界處于某種動(dòng)蕩不定的熱力學(xué)狀況，重新造成了一道火墻。于是，愛(ài)麗絲非但不會(huì)毫無(wú)預(yù)兆地飄過(guò)視界，反而會(huì)被高達(dá)10³²開(kāi)爾文的高溫剎那間焚成灰燼。

這讓馬羅夫感到沮喪。廣義相對(duì)論以為，穿越黑洞的事情視界大概沒(méi)有啥大不了才對(duì)。“火墻會(huì)嚴(yán)重違背廣義相對(duì)論，”他說(shuō)，“在廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的這場(chǎng)奮斗中，廣義相對(duì)論輸?shù)煤軕K。對(duì)此我感覺(jué)相當(dāng)不爽，由于我覺(jué)得自個(gè)是一個(gè)受過(guò)正規(guī)練習(xí)的相對(duì)論主義者?！?/p>

【在黑洞火墻悖論這個(gè)疑問(wèn)上，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論似乎又一次遭遇慘敗。在這個(gè)疑問(wèn)的前身——黑洞是否會(huì)炸毀信息上，霍金也賭輸了一本棒球百科全書(shū)。圖像來(lái)歷：blogspot.com】

新思維

對(duì)這一點(diǎn)感到不爽的，不止馬羅夫一人。“你正在非常平滑的時(shí)空中相當(dāng)自在地向前滑行，然后突然之間，砰的一聲！你撞上了這道火墻，被燒成了灰燼，”普瑞斯基爾說(shuō)，“這實(shí)在太瘋狂了?！?/p>

盡管如此，若是黑洞能把信息傳遞給霍金輻射，火墻仍然是最好的解釋。薩斯坎德對(duì)火墻仍有置疑，但他以為，火墻能夠代表著奇點(diǎn)向視界的遷移，而在傳統(tǒng)的黑洞物理學(xué)中，奇點(diǎn)位于黑洞的中心。

即使火墻真的會(huì)構(gòu)成，對(duì)于它們會(huì)在何時(shí)構(gòu)成，薩斯坎德也有不同的意見(jiàn)。對(duì)于一個(gè)半徑與質(zhì)子相當(dāng)?shù)暮诙?，波爾欽斯基、馬羅夫及其搭檔以為，火墻會(huì)在黑洞構(gòu)成后的10^-20秒構(gòu)成，而在薩斯坎德看來(lái)，構(gòu)成火墻所需的時(shí)間將像世界的年齡相同綿長(zhǎng)。

無(wú)論火墻何時(shí)構(gòu)成，只要它們出現(xiàn)，咱們所知的時(shí)空就會(huì)在視界處完結(jié)。馬羅夫說(shuō)：“若是整個(gè)黑洞視界變成了這樣一道火墻，截?cái)嗔撕诙吹膬?nèi)部，那么黑洞的內(nèi)部或許就底子不存在了。”

若是黑洞附近的時(shí)空具有某些特殊性，導(dǎo)致信息能夠超光速傳播，那么這個(gè)悖論也能夠得到解決。或許吉丁斯和馬圖爾會(huì)意識(shí)到它的重要性，盡管對(duì)于相對(duì)論而言，這會(huì)是又一個(gè)打擊。

故事的結(jié)局是，在霍金提出黑洞信息悖論近40年之后，疑問(wèn)依然揮之不去。它迫使物理學(xué)家更深入地審視起他們的理論。然而，就像波爾欽斯基所說(shuō)，“我跟20年前相同困惑”。

普瑞斯基爾說(shuō)，這不是一件壞事?！翱倳?huì)有第4種能夠性：以上答案都不對(duì)，而是某種咱們還沒(méi)有想到的東西。無(wú)論它撼動(dòng)下來(lái)的是啥，結(jié)果都是有趣的，”他說(shuō)，“一切選項(xiàng)都?jí)虔偪?，這正是這一局勢(shì)如此美妙之處。”