理論物理學(xué)家胡安·馬爾德西納
問(wèn)題依然是起源于2012年夏天開(kāi)始的關(guān)于黑洞火墻的討論。美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校4位目前被統(tǒng)稱為AMPS的理論物理學(xué)家提出了一個(gè)悖論：作為廣義相對(duì)論的產(chǎn)物，一個(gè)老年（蒸發(fā)過(guò)半）的黑洞為了保證量子糾纏“一對(duì)一”的特性，在黑洞的視界處必然會(huì)有一個(gè)高能量的“火墻”，這個(gè)忽然間出現(xiàn)的火墻讓眾多理論物理學(xué)家感到惱火又無(wú)可奈何，陷入了持久的爭(zhēng)論之中。如今，這個(gè)持續(xù)了一年多的悖論開(kāi)始逐漸找到出路，而且，對(duì)于這個(gè)悖論的解釋還可能會(huì)以出人意料的方式推動(dòng)理論物理學(xué)的發(fā)展。
在宇宙深處不聲不響地吞噬一切接近它的物質(zhì)的黑洞已經(jīng)顯得足夠神秘，如果在它的周圍再加上一層火墻，不僅是聽(tīng)上去讓物理學(xué)家們難以理解和接受，更重要的是黑洞火墻違反了廣義相對(duì)論最基本的“等效原理”，因?yàn)楹诙吹囊暯绮⒉皇且粋€(gè)物理概念，而只是一個(gè)數(shù)學(xué)上的邊界而已，因此在理論上這個(gè)區(qū)域不會(huì)和其他區(qū)域有所不同，但是根據(jù)量子力學(xué)的規(guī)則描述，一個(gè)火墻的存在又是必須的——量子力學(xué)和廣義相對(duì)論，究竟要犧牲哪一個(gè)？這正是黑洞火墻悖論最讓人苦惱之處。
一年多來(lái)，理論物理學(xué)家們大致分成了“有火墻”和“沒(méi)有火墻”兩派，幾百篇論文從這兩個(gè)方面進(jìn)行論述。2013年7月11日，兩位聲名卓著的理論物理學(xué)家在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)表了一篇論文的預(yù)印本，迅速吸引了物理學(xué)家們的關(guān)注。來(lái)自普林斯頓高等教育研究院的理論物理學(xué)家胡安·馬爾德西納（Juan Maldacena）和來(lái)自斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家、弦論的創(chuàng)始人之一倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）共同發(fā)表論文《處于糾纏態(tài)黑洞的冷視界》（Cool Horizons For Entangled Black Holes），論證在老年黑洞的視界處，并不一定會(huì)存在高能量的火墻。
從題目來(lái)看，這篇論文只是眾多支持沒(méi)有黑洞火墻一派的論文中的一篇，但是它吸引到眾多物理學(xué)家的關(guān)注絕不僅僅是因?yàn)檫@篇論文的兩位作者的聲譽(yù)。為了解決黑洞火墻的這個(gè)悖論，兩位作者在論文中做出了一個(gè)大膽的論述，而這有可能正是使量子力學(xué)與廣義相對(duì)論相融洽的關(guān)鍵。
引發(fā)黑洞火墻悖論的起點(diǎn)在于量子糾纏現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是在微觀領(lǐng)域由量子力學(xué)描述的一種奇特現(xiàn)象：兩個(gè)處于糾纏態(tài)的微觀粒子，無(wú)論它們之間相隔多遠(yuǎn)，它們的狀態(tài)始終可以超越空間相互影響。在理論上，人們無(wú)法通過(guò)量子糾纏狀態(tài)來(lái)傳遞信息，因此可以說(shuō)這種神奇的現(xiàn)象并未違反物理學(xué)的“定域性”（Locality）。但是馬爾德西納和薩斯坎德為了解決黑洞火墻的悖論，開(kāi)始探索量子糾纏態(tài)在宏觀領(lǐng)域的表現(xiàn)，它們?cè)谡撐闹写竽懱岢觯篍PR=ER，正是這個(gè)讓人初看起來(lái)覺(jué)得不知所云的公式把微觀和宏觀現(xiàn)象連接在一起。
EPR所代指的正是量子糾纏現(xiàn)象，它源于愛(ài)因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和納森·羅森（Nathan Rosen）1935年在《物理評(píng)論》雜志上發(fā)表的論文《量子力學(xué)對(duì)于物理事實(shí)的描述是完備的嗎？》（Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete？），此后物理學(xué)界就通常使用EPR來(lái)代指微觀的量子糾纏現(xiàn)象。而ER則是出于愛(ài)因斯坦與納森·羅森在1935年合作的另外一篇論文《廣義相對(duì)論中的粒子問(wèn)題》（The Particle Problem in the General Theory of Relativity），在這篇論文中，愛(ài)因斯坦和羅森提出，根據(jù)廣義相對(duì)論的方程描述，在空間中可能存在一種“橋”，連接空間中遙遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)，成為一種空間中的“捷徑”，之后物理學(xué)家們就稱這種僅在理論中存在的空間中的捷徑為“愛(ài)因斯坦－羅森橋”（Einstein-Rosen Bridge），或簡(jiǎn)稱為ER。
愛(ài)因斯坦－羅森橋現(xiàn)在雖然僅僅是存在于理論中，與普通人的生活沒(méi)有什么關(guān)系，但是它的一個(gè)俗稱“蟲(chóng)洞”，則早已充斥于各種科幻作品中而為大眾所熟知了。在大眾文化中，蟲(chóng)洞作為一種空間中的捷徑，可以迅速把人送到宇宙中的各處，當(dāng)然在理論上這并不可能發(fā)生，因?yàn)橄x(chóng)洞即使真正存在，也會(huì)極為不穩(wěn)定，任何平均能量為正值的物質(zhì)都會(huì)輕易地摧毀蟲(chóng)洞，理論上只有平均能量為負(fù)值的奇異物質(zhì)才有可能順利通過(guò)蟲(chóng)洞（人類目前在理論和實(shí)踐中都未發(fā)現(xiàn)“負(fù)能量”的物質(zhì)）。
馬爾德西納和薩斯坎德在論文中則把量子糾纏現(xiàn)象和“蟲(chóng)洞”做了類比，他們做出了一個(gè)驚人的推論：黑洞之間有可能通過(guò)在黑洞最中心的“奇點(diǎn)”處的蟲(chóng)洞與宇宙中另外一個(gè)遙遠(yuǎn)的黑洞形成糾纏狀態(tài)，而這種黑洞之間的關(guān)聯(lián)狀態(tài)正是量子糾纏狀態(tài)在宏觀狀態(tài)下的展示，也就是說(shuō)，微觀粒子之間的量子糾纏和通過(guò)蟲(chóng)洞形成糾纏態(tài)的黑洞有著相同的本質(zhì)，這也正是EPR=ER的由來(lái)。
如果這個(gè)公式成立的話，那么人們對(duì)于“鬼魅般的超距作用”也就有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，兩個(gè)處于糾纏態(tài)的微觀粒子，之所以能夠無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，都可以在瞬間相互影響，正是因?yàn)樗鼈冎g可以通過(guò)極為微小的蟲(chóng)洞相互聯(lián)系。馬爾德西納和薩斯坎德認(rèn)為，在理論上人們可以收集到一個(gè)黑洞通過(guò)霍金蒸發(fā)所放射出的所有粒子，而這些粒子都和黑洞內(nèi)部的某個(gè)粒子相互糾纏，如果人們收集了黑洞的霍金蒸發(fā)過(guò)半時(shí)的所有粒子，那么這些粒子也就和黑洞形成了最大的糾纏狀態(tài)，如果人們進(jìn)一步把這些收集到的粒子壓縮形成另外一個(gè)黑洞，那么這個(gè)新產(chǎn)生的黑洞也就和之前的黑洞形成了糾纏狀態(tài)，它們之間會(huì)通過(guò)一個(gè)蟲(chóng)洞保持相互聯(lián)系——也就是說(shuō)，無(wú)數(shù)個(gè)微觀的蟲(chóng)洞聚合在一起，形成一個(gè)宏觀的蟲(chóng)洞把兩個(gè)宏觀的黑洞連接在了一起。
如果馬爾德西納和薩斯坎德的推論正確，那么黑洞之間的蟲(chóng)洞將成為黑洞火墻悖論的一個(gè)高超解決辦法，在老年黑洞的視界周圍，也就未必會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高能量粒子構(gòu)成的火墻。但是這種純粹理論上的推論畢竟還需要實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，正所謂超乎尋常的主張需要超乎尋常的證明，如果蟲(chóng)洞和量子糾纏確實(shí)有著相同的本質(zhì)，這將是人類對(duì)于時(shí)空本質(zhì)的認(rèn)識(shí)的一大進(jìn)步，也將是把時(shí)空量子化，得到完整的量子引力學(xué)說(shuō)的開(kāi)端。
實(shí)際上，馬爾德西納和薩斯坎德并非是首先把蟲(chóng)洞與量子糾纏相類比的物理學(xué)家，在20世紀(jì)60年代，美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）就曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“一切都是幾何”，他認(rèn)為并不存在點(diǎn)狀的電子，人們用來(lái)描述電磁場(chǎng)的電場(chǎng)線的兩端實(shí)際上就是一個(gè)微型蟲(chóng)洞的兩端，但是他后來(lái)放棄了這個(gè)主張，認(rèn)為“一切都是信息”。
當(dāng)物理學(xué)家們被馬爾德西納和薩斯坎德的理論所吸引時(shí)，也難免會(huì)想到尼爾斯·波爾曾經(jīng)說(shuō)過(guò)的一句話：“我們都知道你的理論非常瘋狂，但是我們觀點(diǎn)的區(qū)別在于，你的理論是否足夠瘋狂，使它甚至可能是正確的?！卑蚜孔蛹m纏與蟲(chóng)洞做類比，這樣的思路是否足夠“瘋狂”，以至于可能是“正確”的？馬爾德西納和薩斯坎德的論文吸引到大量的關(guān)注之后，開(kāi)拓了很多物理學(xué)家的思路，但是也受到了很多批評(píng)，有些物理學(xué)家認(rèn)為，這樣的類比思路過(guò)于簡(jiǎn)單而且缺乏足夠的證據(jù)。無(wú)論如何，我們都已經(jīng)看到這場(chǎng)持續(xù)了一年多的爭(zhēng)論使物理學(xué)家們開(kāi)始通過(guò)尋找融合量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的方式來(lái)解決這個(gè)悖論，也許不久之后我們還會(huì)看到弦論、多重宇宙等理論登上舞臺(tái)，參與到這場(chǎng)爭(zhēng)論之中。在沒(méi)有直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)的條件下，理論物理學(xué)也最有可能在這種情形中取得進(jìn)步和突破。
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