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掉入黑洞=撞上火墻?

 昵稱535749 2013-04-24
Shea 今天 11:28

霍金曾經(jīng)跟人打賭,黑洞蒸發(fā)后其中的信息會(huì)消失不見。結(jié)果,他愿賭服輸。可是,如果信息真能逃離黑洞,物理學(xué)家不得不放棄的賭注,或許會(huì)是廣義相對(duì)論本身。


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

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