掉进黑洞会怎样？ 物理学两大支柱对立面

信息悖论——落入黑洞的物质会被挤压进无限致密的黑洞核心，但它会携带什么信息呢？下面解释两种情况:信息消失(左):当黑洞蒸发时，它携带的所有信息都消失了。根据量子效应，真空中充满了相互关联的粒子-反粒子对。通常，粒子-反粒子对在出现后会立即湮灭，但是如果这对粒子和反粒子出现在黑洞的视界，其中一个会落入黑洞，另一个会以霍金辐射的形式向外发射。被“杀死”的粒子被负能量吸入，因此黑洞失去了质量。如果没有普通物质落入，黑洞最终会蒸发。黑洞的中心是一个无限小和无限密集的奇点，但它不包含形成黑洞的物质信息。防火墙(右):从黑洞辐射出的所有粒子之间都有量子关联。这些粒子携带信息。打破辐射粒子和落入黑洞的粒子之间的关联会释放出巨大的能量，并在黑洞周围形成一圈火墙。即使在黑洞蒸发之后，由于两个粒子之间的相关性，“逃逸”粒子包含了“受害者”粒子的所有信息。坠入黑洞的宇航员会被撕成碎片或烧死吗？自2012年夏天以来，这个问题一直是理论物理学争论的焦点。已经发表了40多篇关于相关主题的文章，迄今为止尚未得出结论。因为它直接反对物理学的两大支柱——广义相对论和量子力学的等效原理。如果一名宇航员在2012年3月掉进黑洞，圣巴巴拉加州大学卡夫瑞理论物理研究所的弦理论学家约瑟夫·普京斯基开始思考“自杀”的问题——一个数学思维实验:如果一名宇航员掉进黑洞会发生什么？显然他会死，但他究竟会怎么死呢？根据当时公认的理论，他起初并没有什么特别的感觉，即使他掉进了黑洞的视界。事件视界是一个看不见的边界，在这个边界内，任何东西都无法逃脱黑洞的吸引。然而，最终，如果黑洞在几个小时、几天或几周内足够大，他将开始意识到牵引他脚的重力比牵引他头的重力更强。这种吸引力不可阻挡地把他往下拉。重力差会迅速增大并把他撕裂。最终，他的身体会被撕成碎片，落入黑洞的无限致密核心。普京和他的两个学生艾哈迈德·穆哈里、詹姆斯·萨利以及学校的另一位弦理论学家唐纳德·马洛夫重新计算了这一事件。根据他们的计算，有一个完全不同的场景:量子效应将把视界变成一个沸腾的粒子漩涡，任何落入其中的东西都会撞上火焰墙并立即被烧毁。研究小组去年7月公布了他们的计算结果，震动了整个物理圈:因为防火墙违反了等效的基本物理原理。等效原理是重力质量等效于惯性质量，并且可以在时间和空间的任何点上选择适当的参考系统，使得物质的运动方程不再包含重力项，即重力可以被局部消除。根据这一原理，当一名宇航员落入一个引力场——甚至是一个像黑洞一样强大的引力场——他看到的实际场景和一名在太空中漂浮的观察者看到的一样。一个世纪前，阿尔伯特·爱因斯坦首次明确提出等效原理，并将其作为广义相对论的基础。如果等价原则没有建立，爱因斯坦的理论框架也将崩溃。普京的四个人也知道这个推论的后果，所以他们也提出了另一个替代结果:没有形成防火墙。然而，这种解释的成本也是巨大的。他们不得不牺牲量子力学，这是描述亚原子粒子之间相互作用的理论原理，也是物理学的另一个支柱。这个结果激起了研究防火墙的热潮。物理学家已经抛出了各种方案来试图打破僵局，但是没有一篇论文能够解释得让所有人都满意。圣巴巴拉的量子物理学家斯蒂芬·吉丁斯(Stephen Giddings)说，面对这种情况，“这是物理学基础上的一场危机，需要一场革命来解决这个问题。”上个月，来自物理学界的黑洞专家聚集在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所(CERN)，面对面地讨论这个问题，希望为“量子引力”的统一理论开辟一条新的途径，并包括所有的自然基本力——也许这将成为物理学家几十年来从未有过的荣耀。加州大学柏克莱分校的弦理论学家拉斐尔·布索在会上说，防火墙的想法“动摇了大多数人相信的黑洞理论的基础”。“从根本上说，它将量子力学与广义相对论的敌人对立起来，但它没有给我们留下任何线索:我们下一步应该走向哪个方向？”普里什基尔和霍金之间的“赌博游戏”称，“防火墙危机”的根源可以追溯到1974年。当时，英国剑桥大学的物理学家斯蒂芬·霍金证明了量子效应会在黑洞达到一定温度后将其隔离，然后黑洞会慢慢放出热辐射——光子和其他粒子——质量会逐渐减小，直至完全蒸发。然而，这些粒子不是火墙。落入视界的宇航员不会注意到这种辐射，这与相对论描述的场景略有不同。然而，霍金的结果仍然令人震惊，因为根据广义相对论方程的描述，黑洞只消耗质量并增长而不是蒸发。基本上，霍金的论点已经进入了对量子场的观察。“真空”不是真空。在亚微观尺度上，它处于连续波动的状态:成对的粒子和反粒子连续出现，并迅速消失。这种亚微观层次的混乱只能在非常微妙的实验中观察到。霍金意识到，当一对粒子——反粒子出现在黑洞的视界中时，其中一个将落入黑洞，使它们无法结合并湮灭。幸存的粒子将以辐射的形式向外发射。为了平衡输出粒子的正能量，吸入粒子将以负能量进入——这是量子定律允许的，负能量将从黑洞的质量中扣除，从而缩小黑洞。霍金的原始分析已经被许多研究者提炼和扩展，其结论现在被广泛接受。然而，这也带来了令人不安的现实。黑洞辐射质疑量子力学理论。量子力学认为信息不会被破坏。理论上，通过探测从黑洞发射的辐射的量子态，就有可能获得所有关于落入黑洞的粒子的信息。但是霍金指出，事情没那么简单:发射的辐射是随机的。扔一公斤石头或一公斤电脑芯片的结果是一样的。在黑洞死亡之前，你无法知道它是如何形成的，也无法知道落在它上面的是什么。这被称为黑洞信息悖论。在这个问题上，物理学家分成两个阵营:一个以霍金为代表，认为当黑洞死亡时，信息将真正消失。如果这与量子定律相矛盾，那么需要建立一个更好的量子理论。另一个学派，以加州理工学院的量子物理学家约翰·普里什基尔为代表，坚持站在量子力学一边。"有一段时间，我认真地试图重建一个包含信息丢失的替代理论."“但我找不到任何有意义的东西。没人能找到它，”普里什蒂埃说。僵局持续了20年，直到1997年，所有人都知道了答案——当普里什基尔赢得了与霍金的公开打赌，相信信息不会丢失，他赢得了霍金的棒球百科全书。但在那一年，打破僵局依赖于哈佛大学物理学家胡安·马尔达切纳的发现。玛达·仙娜的发现是基于一个早期的观点，即宇宙中的任何三维区域都可以通过在二维边界上编码信息来描述，这与激光编码二维全息图形式的三维场景非常相似。李奥纳特·苏士侃是斯坦福大学的弦理论学家，也是全息理论的创造者之一，他说:“我们用‘全息’这个词作为隐喻。但经过更多的数学推导，它似乎有了更多的实际意义:宇宙是信息在边界上的投影。”马尔达·仙娜提出了一个关于全息理论的具体数学方程，同时借鉴了超弦理论的观点，假设基本粒子是由极小的能量环振动形成的。他的模型描述了一个仅受万有引力支配的三维宇宙，包括通过二维表面反射的弦和黑洞，其中元素粒子和场遵循没有万有引力的宇宙量子规则。居住在这个三维空间的居民永远不会看到这个界面，因为它在一个无限遥远的地方。但这并不重要:三维宇宙中发生的任何事情都可以用二维宇宙中的方程同样好地表达，反之亦然。“我找到了一本数学词典，它可以让你在两个世界的‘语言’之间来回切换。”玛达·仙娜解释道。这意味着即使是三维黑洞的蒸发也可以用二维世界的语言来描述。这里没有重力，只有量子定律是最高标准，这里的信息永远不会丢失。如果这里的信息可以保存，订单也可以保存在三维世界中。但是出于某种原因，信息正在从黑洞中逃逸。令人困惑的"火墙"几年后，马洛夫证明了任何量子引力模型都必须遵循同样的规则，不管它是否是由弦理论建立的。"玛达·仙娜和马洛夫的研究结合起来改变了我."马里兰大学的量子物理学家泰德·雅各布斯说，他一直坚持信息损失理论。2004年，霍金公开承认了自己的错误，并把一本厚厚的棒球百科全书输给了普里什蒂纳，结束了著名的物理学打赌。这就是玛达·仙娜的发现的意义:让大多数物理学家认为悖论已经解决，尽管没有人能解释霍金辐射是如何从黑洞泄露信息的。"我想我们都只是假设会有一个明确的答案。"普京说。但事实并非如此。2012年初，当普京和研究团队着手澄清这一模糊的结局时，他们很快遇到了另一个矛盾，这导致他们出口致命的防火墙。霍金曾经指出，任何逃离黑洞的粒子的量子态都是随机的，因此粒子不能携带任何有用的信息。然而，到了20世纪90年代中期，苏斯金德和其他物理学家意识到，如果粒子的状态在某种程度上被“纠缠”，也就是说，测量一个粒子会立即影响另一个粒子，不管它们相距多远，那么辐射量子态中的信息可以作为一个整体被编码。但是实际情况是什么呢？对于要发射的粒子来说，其纠缠的“另一半”将在黑洞中被牺牲掉。如果苏斯金德是对的，它仍然必须与之前发射的所有霍金辐射纠缠在一起。然而，在量子力学中有一个严格的事实叫做“一对一纠缠”，即一个量子系统不能同时与两个独立的系统完全纠缠。为了避免这种矛盾，普京和他的合著者意识到其中的一个纠结变得不可持续，为了编码霍金辐射，他们不得不放弃。他们决定切断逃逸的霍金粒子与其受害者“伙伴”之间的联系，但这是有代价的。"这是一个剧烈的过程，就像打破分子键释放能量一样."普京说，能量是通过切断大量粒子对之间的联系产生的，因此非常大。"视界将变成一个火圈，燃烧掉任何落入其中的东西."但另一方面，它违反了对等原则和*落体的感觉应该和漂浮在太空中一样的信念。如果是这样的话，物体不会被烧毁。因此，他们首先在arXiv网站上发表了一篇论文，坦率地向物理学家提出了一个难题:要么接受防火墙的存在，这将打破相对论；要么接受黑洞信息将会丢失，量子力学是错误的。“对我们来说，在这种困境中选择防火墙并不疯狂，”马洛夫说。这篇论文震惊了整个物理学界。雅各布森说:“放弃爱因斯坦的等效原则作为最佳选择，这简直是不可容忍的。”布索对此表示赞同，并补充道:“太空中凭空出现一道火墙的可能性，并不比凭空出现一道砖墙并击中人们面部的可能性大。”如果爱因斯坦的理论不适用于视界，宇宙学家不得不怀疑它是否能完全应用于其他地方。普京也承认他们可能犯了愚蠢的错误，所以他找到了全息理论的创始人之一苏斯金德，并请他帮助寻找遗漏之处。“我的第一反应是他们犯了一个错误，”萨斯金德说，他也发表了一篇论文作为反驳，但经过深入思考后，他很快收回了这些话。“我的第二个反应是他们是对的，我的第三个反应是他们是错的，我的第四个反应是他们又是对的。”他笑着说，“这给了我一个绰号”(他们叫优优)，但大多数物理学家的反应和我一样。”从那以后，已经有40多篇关于arXiv的文章来讨论这个话题，但是到目前为止，还没有人能够发现它们逻辑上的任何缺陷。“这真是一场精彩的辩论，这表明我们对黑洞的理解存在一些不一致，”唐·佩吉说，他是霍金在20世纪70年代的合作伙伴，现在是加拿大埃德蒙顿的阿尔伯塔大学的成员之一，他提出了解决这一难题的创造性方案。“防火墙”仍然存在，每个人仍然需要努力工作。根据苏斯金的说法，最有希望的计划是由普林斯顿大学的量子物理学家丹尼尔·哈洛和加拿大麦吉尔大学的计算机科学家帕捷雷奇·海登共同提出的。他们考虑的是，如果宇航员真的测量了，他是否会意识到这个矛盾。为此，宇航员首先分析向外发射的大部分霍金辐射，然后跳进黑洞探测落入其中的粒子。他们的计算表明，分析辐射是如此困难，以至于黑洞在他跳进来之前就已经蒸发了。“没有基本的规则来防止宇航员无法测量矛盾，”哈洛说，“但事实上，这是不可能的。”然而，吉丁斯认为防火墙悖论需要一个基本的解决方案。根据他的计算，如果外出的霍金辐射和落入黑洞的粒子之间的纠缠只有在逃逸的粒子离开事件视界一小段距离后才被打破，释放的能量将大大减少，并且不会产生火焰墙。虽然这保护了等价原则，但有些量子定律必须修改。在欧洲粒子物理研究所的会议上，与会者都对吉丁斯的模型实验非常感兴趣:该模型预测，当两个黑洞合并时，它们可能在空间和时间上形成特殊的波纹，这些波纹被地球上的引力波观测站探测到。此外，还有另一个方案可以挽救等价原理，但由于争议太多，很少有人敢冒黑洞会丢失信息的风险。多年前，霍金的赌注是对的，但不幸的是，他过早地承认了。现在情况逆转了。去年年底，在斯坦福大学举行的黑洞防火墙研讨会上，是普利斯基尔和霍金打赌，放弃了相反的计划。然而，回应很少。“令人惊讶的是，人们并没有认真考虑这种可能性，就好像它像防火墙一样疯狂。”Priš kiir说，尽管他自己也补充了这一点，但他仍然直觉地认为信息是完整的。物理学家不愿意让霍金以前的赌博合同回到过去。这也标志着人们对马尔达的《仙娜引力量子理论词典》表现出极大的尊重，该词典似乎也证明了信息不会丢失。"这是迄今为止对重力最深刻的理解，因为它与量子场有关."普京说，他将马尔达·仙娜的结果与19世纪的单一理论发现进行了比较，比如那些与光、电和磁有关的理论。“如果防火墙争端发生在20世纪90年代初，我想它可能会引发一场关于信息是否会丢失的激烈辩论，”布索说。“但现在，没有人想证明‘玛达·韦斯特是错的’。”这让玛达·李妍感到非常荣幸。大多数物理学家支持他，含蓄地反对爱因斯坦。他认为这有点不可能。“为了充分理解防火墙悖论，我们可能必须充实字典，但我们不必把它扔掉。”迄今为止唯一达成一致的是，这个问题不会很快平息。普京列出了科学家们提出的“平息”防火墙的所有计划，仔细考虑了他看到的缺陷，最后得出结论:“很抱歉，没有人能推翻防火墙，但请继续努力。”