按照廣義相對(duì)論，不幸掉入黑洞的宇航員在穿過一去不復(fù)返的視界時(shí)，應(yīng)該不會(huì)感覺到任何特殊才對(duì)。量子力學(xué)卻要求，黑洞視界之內(nèi)存在一道火墻，會(huì)將宇航員瞬間焚成灰燼。圖片來源：《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，“它們會(huì)向你指明通往重要發(fā)現(xiàn)的道路。”在量子力學(xué)和愛因斯坦的相對(duì)論中有許多這樣的悖論。有只貓，它可以在同一時(shí)間即是死的又是活的?；蛘哳愃啤痘氐轿磥怼冯娪爸械臅r(shí)間旅行者，他可以殺死自己的祖父，使自己無法降生。又或者，雙胞胎中的一個(gè)接近光速往返一顆鄰近恒星，團(tuán)聚后他們會(huì)對(duì)彼此的年齡產(chǎn)生異議。每一個(gè)令人費(fèi)解的窘境都迫使我們?nèi)徱暭?xì)節(jié)，從而促進(jìn)我們理解它背后的理論。愛因斯坦就是一個(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)生些什么。

距離我們最近的黑洞也在1000光年之外，因此這個(gè)問題純粹是個(gè)理論問題。然而，正是通過研究這樣一種可能性，物理學(xué)家希望能夠取得突破，嘗試將廣義相對(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)中最棘手的問題之一。

黑洞信息

黑洞長(zhǎng)久以來一直是滋生悖論的肥沃溫床。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)過程極其緩慢，但最終會(huì)導(dǎo)致黑洞完全蒸發(fā)。

霍金發(fā)現(xiàn)，這個(gè)理論存在一個(gè)問題。這種輻射看上去相當(dāng)隨機(jī)，因此霍金推測(cè)它不可能攜帶任何與掉入黑洞的物質(zhì)有關(guān)的信息。因此，隨著這個(gè)黑洞蒸發(fā)殆盡，它擁有的信息最終必定會(huì)消失。然而，這與量子物理的核心宗旨直接沖突，因?yàn)榱孔游锢碚J(rèn)為信息不可能被消滅。黑洞信息悖論就此誕生。

幾十年來，物理學(xué)家一直在努力解決這個(gè)悖論?；艚鹪J(rèn)為是黑洞摧毀了信息，向量子力學(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)所做的嘗試——這一數(shù)學(xué)壯舉本身的艱深迫使霍金必須要作一些近似才行。普瑞斯基爾甚至和霍金打賭，押黑洞不會(huì)摧毀信息。

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)，來自于這樣一種思考——蒸發(fā)中的黑洞變得越來越小會(huì)發(fā)生什么？如果信息無法逃逸，也無法被摧毀，就會(huì)有越來越多的信息被儲(chǔ)存在越來越小的體積之中。但是，如果是這樣的話，量子理論預(yù)言，無論在哪里，只要物質(zhì)之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生一個(gè)微型黑洞的概率就會(huì)從幾乎為零提高到無窮大?！澳銘?yīng)該會(huì)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里看到黑洞，也應(yīng)該會(huì)在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室里看到黑洞，還應(yīng)該在上世紀(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，“甚至當(dāng)你在草地上跳來跳去時(shí)，你也應(yīng)該看到黑洞才對(duì)?！?/p>

顯然，這些并沒有發(fā)生。而另一種可能性，即物質(zhì)和它攜帶的信息能夠從黑洞中泄漏出來，則是不太可能的。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。它或許并沒有那么隨機(jī)。“常見的一個(gè)反應(yīng)是，霍金只不過是大意了，”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，“信息并沒有丟失，只是霍金沒有一直追蹤它們到底?！?/p>

然而，試圖解決這一悖論的所有早期嘗試，都被證明是不成功的。波爾欽斯基說：“霍金發(fā)現(xiàn)了一個(gè)真正深刻的問題?！?/p>

霍金后來在2004年改變了主意，部分原因在于阿根廷物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)薩納（Juan Maldacena）所作的研究（參見“霍金變了心”）。他承認(rèn)，黑洞最終沒有摧毀信息。他向普瑞斯基爾兌現(xiàn)了賭注，送給他一本棒球百科全書。普瑞斯基爾曾將棒球比喻成一個(gè)黑洞，因?yàn)樗鼈兌己苤?，而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)家的注意力很快就轉(zhuǎn)移到了信息如何逃離黑洞上來。這個(gè)問題并不容易回答。正是在探究這些問題的過程中，新的黑洞火墻悖論成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

如果信息真從黑洞中逃逸出去，會(huì)發(fā)生什么事情？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)引人注目的新名詞。要理解它的含義，我們需要簡(jiǎn)單描述一下霍金輻射?？諢o一物的時(shí)空會(huì)不斷地形成虛粒子對(duì)，從虛無中突然冒出來，又同樣迅速地消失。這種情況在黑洞的事件視界附近會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)閷?duì)于掉入黑洞的任何東西而言，事件視界是一去不歸的界線。偶爾，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粒子，構(gòu)成了霍金輻射。

真空中不斷形成的虛粒子對(duì)又會(huì)在瞬間湮滅，但在黑洞的事件視界附近，情況會(huì)有所不同。成對(duì)形成的虛粒子中的一個(gè)落入黑洞，剩下的另一個(gè)則逃逸出去，形成了霍金輻射。圖片來源：scienceblogs.com

現(xiàn)在，如果霍金輻射帶走了量子信息，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題。霍金最偉大的洞見就是，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)中落入事件視界內(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，由此它們便形成了一道火墻，熾熱得足以燒毀任何落入黑洞的人或物。

這與廣義相對(duì)論告訴我們的黑洞特性嚴(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)提出了一種可能性。他在美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)薩米爾·馬瑟（Samir Mathur）所作研究的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的黑洞模型。他的研究表明，如果量子理論在事件視界附近失效，黑洞內(nèi)部的信息就有可能傳送到遙遠(yuǎn)的外部區(qū)域，從而避免形成火墻。

問題在于，為了讓這個(gè)模型能夠奏效，吉丁斯不得不背棄“信息傳播不能快過光速”這一禁忌。另一個(gè)問題是，他無法確切指出，量子理論應(yīng)該在時(shí)空中的什么位置失效。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）所作的早期研究結(jié)合起來，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)假設(shè)保持一致——這些假設(shè)被許多物理學(xué)家所珍視。其中一個(gè)假設(shè)自然是，信息不會(huì)隨著黑洞的蒸發(fā)而丟失。其他假設(shè)則與一些思維實(shí)驗(yàn)有關(guān)，涉及到兩位正在靠近黑洞的觀測(cè)者，一個(gè)名叫愛麗絲，另一個(gè)叫鮑勃。勇敢的愛麗絲越過了黑洞的事件視界，謹(jǐn)慎的鮑勃?jiǎng)t呆在外面。

根據(jù)第2個(gè)假設(shè)，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)假設(shè)則是，愛麗絲在穿過事件視界時(shí)也不會(huì)看到任何怪異的事情。這是因?yàn)槭录暯绮⒎且粋€(gè)物理邊界，它只是輕微彎曲的普通時(shí)空中一塊普通的真空區(qū)域罷了。

波爾欽斯基及其同事調(diào)和全部3個(gè)假設(shè)的嘗試沒有成功——如果信息不丟失，火墻就仍然會(huì)存在，愛麗絲則會(huì)被燒成灰燼。但失敗并沒有讓他們氣餒。波爾欽斯基說：“你先嘗試去做某件事情，如果失敗了，那還可以試著去證明，這件事不可能成功?！?/p>

他們的同事馬羅夫也加入進(jìn)來，展開了這項(xiàng)新的嘗試。2012年7月，他們發(fā)表了一篇論文，證明這3個(gè)假設(shè)無法同時(shí)成立（參見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)研究，其實(shí)一篇認(rèn)為他們的答案忽略了引力。

相對(duì)論慘敗

如果霍金輻射確實(shí)把量子信息帶出了黑洞，就像許多人認(rèn)為的那樣，那么量子力學(xué)對(duì)此就有話要說。比如說，在黑洞形成之初通過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)，也就是量子糾纏。

現(xiàn)在，想象一個(gè)粒子B，它產(chǎn)生的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于A。粒子B是黑洞視界上形成的粒子對(duì)中的一個(gè)，另一個(gè)粒子C已經(jīng)落入了黑洞。假設(shè)視界處的時(shí)空沒有什么特殊，只具有輕微的引力和較小的曲率，這就使得視界處形成的虛粒子彼此會(huì)糾纏在一起。因此，B必定與C糾纏。但是，由于早期的霍金輻射必定與后來的霍金輻射相糾纏，因此B與A也相互糾纏。

可惜，這違背了量子力學(xué)中另一條被物理學(xué)家珍視的原則，被稱為量子糾纏的專一性。簡(jiǎn)單來說，粒子B可以與A糾纏，也可以與C糾纏，但不能跟兩者同時(shí)糾纏。

于是，這個(gè)難題兜了一圈又回到了原點(diǎn)。如果我們想把信息弄出黑洞，A就必須與B糾纏。如果我們要讓事件視界處的時(shí)空沒什么特殊，可以讓愛麗絲掉入黑洞而不被燒成灰燼，那么B就必定與C糾纏。必須得放棄一些東西才行。那么，該被放棄的，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？波爾欽斯基認(rèn)為這不可能，因?yàn)轳R爾達(dá)薩納的研究工作是最強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)論證之一，支持量子力學(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)受過極其嚴(yán)格檢驗(yàn)的理論，即便是細(xì)微的改變也會(huì)使它偏離實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

另一個(gè)選擇是，質(zhì)疑黑洞視界處真空的狀態(tài)。如果視界兩側(cè)的粒子B和C不再糾纏，量子糾纏的專一性就不會(huì)遭到破壞。但是，破壞這種糾纏會(huì)讓黑洞的事件視界處于某種動(dòng)蕩不定的熱力學(xué)狀態(tài)，重新造成了一道火墻。于是，愛麗絲非但不會(huì)毫無征兆地飄過視界，反而會(huì)被高達(dá)10³²開爾文的高溫瞬間焚成灰燼。

這讓馬羅夫感到沮喪。廣義相對(duì)論認(rèn)為，穿越黑洞的事件視界應(yīng)該沒有什么大不了才對(duì)?！盎饓?huì)嚴(yán)重違背廣義相對(duì)論，”他說，“在廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的這場(chǎng)斗爭(zhēng)中，廣義相對(duì)論輸?shù)煤軕K。對(duì)此我感覺相當(dāng)不爽，因?yàn)槲矣X得自己是一個(gè)受過正規(guī)訓(xùn)練的相對(duì)論主義者?！?/p>

在黑洞火墻悖論這個(gè)問題上，愛因斯坦的廣義相對(duì)論似乎又一次遭遇慘敗。在這個(gè)問題的前身——黑洞是否會(huì)摧毀信息上，霍金也賭輸了一本棒球百科全書。圖片來源：blogspot.com

新思維

對(duì)這一點(diǎn)感到不爽的，不止馬羅夫一人?！澳阏诜浅Ｆ交臅r(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，“這實(shí)在太瘋狂了?！?/p>

盡管如此，如果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)火墻仍有懷疑，但他認(rèn)為，火墻可能代表著奇點(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)形成，對(duì)于它們會(huì)在何時(shí)形成，薩斯坎德也有不同的意見。對(duì)于一個(gè)半徑與質(zhì)子相當(dāng)?shù)暮诙矗枤J斯基、馬羅夫及其同事認(rèn)為，火墻會(huì)在黑洞形成后的10^-20秒形成，而在薩斯坎德看來，形成火墻所需的時(shí)間將像宇宙的年齡一樣漫長(zhǎng)。

無論火墻何時(shí)形成，只要它們出現(xiàn)，我們所知的時(shí)空就會(huì)在視界處終結(jié)。馬羅夫說：“如果整個(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)部或許就根本不存在了?！?/p>

如果黑洞附近的時(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)悖論也可以得到解決?；蛟S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，問題依然揮之不去。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，“我跟20年前一樣困惑”。

普瑞斯基爾說，這不是一件壞事?！翱倳?huì)有第4種可能性：以上答案都不對(duì)，而是某種我們還沒有想到的東西。無論它撼動(dòng)下來的是什么，結(jié)果都是有趣的，”他說，“所有選項(xiàng)都?jí)虔偪?，這正是這一局面如此美妙之處?！?/p>

霍金變了心
正是弦論學(xué)家胡安·馬爾達(dá)薩納取得的突破，最終導(dǎo)致史蒂芬·霍金改變了他在黑洞和信息方面的主張。1997年，馬爾達(dá)薩納用弦論的數(shù)學(xué)證明，描述黑洞內(nèi)部的引力理論等價(jià)于描述黑洞表面的量子理論。這聽起來很深?yuàn)W，但馬爾達(dá)薩納的研究是非凡的。盡管我們還不知道哪種引力理論能夠從整體上描述黑洞，我們卻知道如何在黑洞表面運(yùn)用量子理論。這意味著，量子力學(xué)在黑洞表面仍然有效，而且隨著黑洞蒸發(fā)，信息并不會(huì)丟失。需要說明的是，馬爾達(dá)薩納研究的時(shí)空，在類型上不同于我們宇宙中的時(shí)空，但他的結(jié)果極具說服力，使得物理學(xué)家不愿意再糾結(jié)于此。

編譯自：《新科學(xué)家》，Black hole firewall: Trouble on the edge