掉入黑洞＝撞上火墙？

根据广义相对论，不幸掉进黑洞的宇航员在穿越永远消失的地平线时不会有任何特殊的感觉。另一方面，量子力学要求在黑洞的地平线上有一堵火墙，它可以将宇航员瞬间烧成灰烬。照片来源:自然]

约翰·普雷斯基尔说:“悖论在物理学中是一件好事。”。"它们将向你展示重要发现的途径."量子力学和爱因斯坦的相对论中有许多悖论。有一只猫，它可以同时死和活。或者像电影《回到未来》中的时间旅行者一样，他可以杀死自己的祖父，阻止自己出生。或者，双胞胎中的一个以接近光速的速度往返于邻近的恒星，当他们重聚时，他们会不同意彼此的年龄。每一个令人困惑的困境都迫使我们审视细节，从而促进我们对背后理论的理解。爱因斯坦是一个典型的例子。他的相对论源于解决时间悖论的努力。

现在，加州理工学院的理论物理学家普雷斯基尔正在绞尽脑汁，努力思考最近出现的悖论。它被昵称为“黑洞火墙悖论”，它关注的是当有人掉进黑洞时会发生什么。

最近的黑洞也在1000光年之外，所以这个问题纯粹是理论上的。然而，正是通过研究这种可能性，物理学家希望取得突破，并试图将广义相对论和量子力学统一到量子引力理论中去——这也是现代物理学中最困难的问题之一。

黑洞信息长期以来，黑洞一直是悖论的沃土。早在1974年，以色列希伯来大学的斯蒂芬·霍金和雅各布·贝肯斯坦就证明了黑洞并不全是黑色的。相反，它们辐射能量，称为霍金辐射，由光子和其他量子粒子组成——这个过程非常缓慢，但最终会导致黑洞完全蒸发。

霍金发现这个理论有问题。这种辐射看起来很随机，所以霍金推测它不能携带任何关于物质落入黑洞的信息。因此，随着黑洞蒸发，它所拥有的信息最终会消失。然而，这直接与量子物理学的核心目的相冲突，量子物理学认为信息不能被破坏。黑洞信息的悖论诞生了。

几十年来，物理学家一直试图解决这个悖论。霍金曾经认为黑洞破坏了信息，并质疑量子力学。其他人不同意这一观点。毕竟，霍金的想法源于他自己整合广义相对论和量子力学的尝试——这一数学壮举的巨大难度迫使霍金做出一些近似。普雷斯基尔甚至打赌霍金赌黑洞不会破坏信息。

有几个论点认为霍金是错的。最令人信服的论点之一来自于思考当蒸发黑洞变得越来越小时会发生什么。如果信息无法泄漏或被销毁，越来越多的信息将被存储在越来越小的卷中。然而，如果是这样的话，量子理论预测，无论物质在哪里碰撞，产生一个微型黑洞的概率都会从几乎为零增加到无穷大。“你应该在大型强子对撞机上看到黑洞，你应该在费米实验室看到黑洞，你也应该在20世纪30年代那些房间大小的粒子加速器上看到黑洞，”加州大学圣巴巴拉分校的理论家唐·马罗夫说。"即使你在草地上跳来跳去，你也应该看到黑洞."

显然，这并没有发生。另一种可能性，即物质及其携带的信息可能从黑洞中泄漏出去，是不太可能的。任何落入黑洞的物质都必须以超光速运动，才能逃脱黑洞的可怕引力。

也许答案在于霍金辐射。它可能不那么随机。“一个常见的反应是，霍金只是粗心大意，”约瑟夫·波尔钦斯基说，他也在加州大学圣巴巴拉分校。"信息没有丢失，但霍金并没有一直追踪到最后."

然而，所有早期解决这个悖论的尝试都被证明是不成功的。波尔钦斯基说:“霍金发现了一个非常深刻的问题。”

霍金后来在2004年改变了主意，部分原因是阿根廷物理学家胡安·马尔达西那的研究。他承认黑洞最终没有摧毁信息。他兑现了在普雷斯基尔的赌注，给了他一本棒球百科全书。普雷斯基尔曾经把棒球比作黑洞，因为棒球和黑洞都很重，从它们那里获取信息需要很大的努力。

进入深渊的物理学家很快将注意力转向信息是如何从黑洞中逃脱的。这个问题不容易回答。正是在探索这些问题的过程中，新黑洞防火墙悖论成为了人们关注的焦点。

如果信息真的从黑洞中逃逸，会发生什么？一些物理学家对此已经推测了很长时间，但即使对他们来说，防火墙仍然是一个引人注目的新术语。为了理解它的含义，我们需要简要描述霍金辐射。空空的时空会不断形成成对的虚拟粒子，从虚无中突然出现，并以最快的速度消失。这种情况将在黑洞的视界附近发生变化，因为视界是任何落入黑洞的东西都无法返回的线。偶尔，虚拟粒子对中的一个被吸进黑洞，另一个逃脱。正是这些从黑洞逃逸的稀有粒子构成了霍金辐射。

真空中形成的[虚拟粒子对会在瞬间湮灭，但在黑洞视界附近情况会不同。成对形成的虚拟粒子中的一个落入黑洞，而另一个逃逸，形成霍金辐射。资料来源:scienceblogs.com]

现在，如果霍金辐射带走了量子信息，就会出现一个问题。霍金最大的见解是，他证明了量子理论、广义相对论和热力学都与黑洞有联系。这意味着落在虚拟粒子对中事件视界内的粒子的能量将变得非常高，足以将信息传递给黑洞外的伴粒子，从而形成足以烧毁任何落入黑洞的人或物的火墙。

这与广义相对论告诉我们的黑洞特征严重矛盾。事实上，这样一堵火墙看起来如此荒谬，以至于物理学家已经开始寻找其他方式让黑洞在不“违反规则”的情况下传输信息。

圣巴巴拉加州大学的史蒂夫·吉丁斯提出了一种可能性。他根据俄亥俄州立大学的萨米尔·马图尔的研究提出了一个简单的黑洞模型。他的研究表明，如果量子理论在视界附近失败，黑洞内部的信息可能会被传输到遥远的外部区域，从而避免形成防火墙。

问题在于，为了让模型发挥作用，吉丁斯不得不放弃信息传播速度不能超过光速的禁忌。另一个问题是，他不能指出量子理论在空间和时间中应该失败的确切位置。然而，这仍然是一个有吸引力的想法。

结果，波尔钦斯基和他的学生艾哈迈德·艾哈迈德·阿尔米耶里和詹姆斯·萨利也加入了进来。当时，他们认为可以通过将吉丁斯的模型与斯坦福大学李奥纳特·苏士侃的早期研究相结合来解决这个问题。

这意味着他们必须改革黑洞模型，使其与苏士金提出的三个假说相一致，这是许多物理学家所珍视的。一个假设是自然的，信息不会随着黑洞的蒸发而丢失。其他的假设与一些思维实验有关，包括两个接近黑洞的观察者，一个叫爱丽丝，另一个叫鲍勃。勇敢的爱丽丝穿越了黑洞的视界，而谨慎的鲍勃呆在外面。

根据第二个假设，呆在黑洞外面的鲍勃不会看到任何异常。第三个假设是爱丽丝在穿越视界时不会看到任何奇怪的东西。这是因为事件视界不是一个物理边界，它只是一个稍微弯曲的普通时空中的普通真空区。

波尔钦斯基和他的同事试图调和所有三个假设的努力失败了——如果信息没有丢失，防火墙仍然会存在，爱丽丝会被烧成灰烬。但是失败并没有阻止他们。波尔钦斯基说:“你先试着做一些事情。如果你失败了，你也可以试着证明这是不可能成功的。”

他们的同事马洛夫也加入了进来，并发起了这项新的尝试。2012年7月，他们发表了一篇论文，证明这三个假设不能同时成立。这引发了一场争议风暴:超过40篇论文讨论了这项研究，其中一篇认为他们的答案忽略了重力。

相对论的失败如果霍金辐射真的像许多人认为的那样，把量子信息带出黑洞，那么量子力学就有话要说了。例如，在黑洞形成之初，粒子A通过霍金辐射逃离了黑洞。量子理论预言，它将与另一个霍金辐射粒子有某种幽灵般的联系，这个粒子在一段未知的时间后逃逸，即量子纠缠。

现在，想象一个粒子B，它比A产生得晚得多..粒子B是黑洞视界上形成的粒子对之一，而另一个粒子C已经落入黑洞。假设地平线上的时空没有什么特别，它只有轻微的重力和小曲率，这使得地平线上形成的虚拟粒子相互纠缠。然而，由于早期的霍金辐射必须与后来的霍金辐射纠缠在一起，所以B和A也是纠缠在一起的。

不幸的是，这违反了物理学家在量子力学中珍视的另一个原则，即量子纠缠的特异性。简而言之，粒子B可以与A或C纠缠，但不能两者都纠缠。

结果，这个难题在一轮之后又回到了它的原点。如果我们想从黑洞中获得信息，A必须和B纠缠在一起。如果我们想让事件视界的时间和空间没有什么特别的，爱丽丝可以掉进黑洞而不会被烧成灰烬，那么B必须和C纠缠在一起。你必须放弃一些东西。那么，量子力学或广义相对论会被抛弃吗？

让我们先来看看量子力学及其预测的信息守恒。他们会错吗？波尔钦斯基认为这是不可能的，因为玛尔达·萨纳的研究工作是最有力的数学论证之一，支持量子力学保持不变。更重要的是，量子力学是一个经过极其严格测试的理论。即使微小的变化也会使它偏离实验结果。

另一个选择是质疑黑洞视界的真空状态。如果视界两边的粒子B和C不再纠缠，量子纠缠的特异性将不会被破坏。然而，破坏这种纠缠将会使黑洞的视界处于某种不稳定的热力学状态，产生新的火墙。因此，爱丽丝不会毫无预警地飘过地平线，而是会被1032开尔文的高温瞬间烧成灰烬。

这让马洛夫感到沮丧。广义相对论认为，穿越黑洞的视界应该没什么大不了的。“火墙将严重违反广义相对论，”他说。“广义相对论在广义相对论和量子力学的斗争中惨败。我对此感到相当不舒服，因为我认为我是受过正规训练的相对论者。”

[·爱因斯坦的广义相对论似乎在黑洞防火墙悖论问题上又遭遇了一次惨败。霍金还丢失了一部棒球百科全书，内容是这个问题的先驱黑洞是否会破坏信息。资料来源:blogspot.com]

马洛夫不是唯一对这种新思想感到不舒服的人。“你很舒服地在非常平滑的时间和空间中向前滑动，然后突然，砰的一声！你撞上了这面火墙，被烧成了灰烬，”普雷斯基尔说。“这太疯狂了。”

然而，如果黑洞能向霍金辐射传递信息，防火墙仍然是最好的解释。苏斯金仍然对火墙有疑问，但他认为火墙可能代表奇点向地平线的迁移，而在传统的黑洞物理学中，奇点位于黑洞的中心。

即使防火墙真的形成了，苏斯金德对它们什么时候会形成也有不同的看法。对于半径相当于质子的黑洞，Polczynski，marov和他们的同事相信在黑洞形成后10-20秒内会形成火墙，而在Susskind看来，形成火墙所需的时间与宇宙的年龄一样长。

无论火墙何时形成，只要它们出现，我们所知道的时间和空间都将在地平线上结束。马罗夫说:“如果黑洞的整个视界变成这样一堵火墙，切断了黑洞的内部，那么黑洞的内部可能根本不存在。”

如果黑洞附近的时空具有某种特殊性，导致信息传播速度超过光速，这个悖论也可以解决。也许吉丁斯和马舒尔会意识到它的重要性，尽管这将是对相对论的又一次打击。

故事的结局是，在霍金提出黑洞信息悖论近40年后，这个问题依然存在。这迫使物理学家更深入地研究他们的理论。然而，正如波尔钦斯基所说，“我和20年前一样困惑”。

普雷斯吉尔说这不是一件坏事。“总会有第四种可能性:上述答案都不正确，但我们还没有想到。不管发生什么，结果都很有趣，”他说。“所有选择都够疯狂的了。这就是这种情况如此美妙的原因。”