掉入黑洞＝撞上火墙？
（文/Anil Ananthaswamy，译/Shea）“在物理学中，悖论是个好东西，”约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）说，“它们会向你指明通往重要发现的道路。”在量子力学和爱因斯坦的相对论中有许多这样的悖论。有只猫，它可以在同一时间即是死的又是活的。或者类似《回到未来》电影中的时间旅行者，他可以杀死自己的祖父，使自己无法降生。又或者，双胞胎中的一个接近光速往返一颗邻近恒星，团聚后他们会对彼此的年龄产生异议。每一个令人费解的窘境都迫使我们去审视细节，从而促进我们理解它背后的理论。爱因斯坦就是一个典型的例子，他的相对论就源自于解决他的时间悖论而作出的努力。
现在普瑞斯基尔，这位美国加州理工学院的理论物理学家，绞尽脑汁苦苦思索了浮出水面的一则悖论。它被昵称为“黑洞火墙悖论”，事关有人掉入黑洞时到底会发生些什么。
距离我们最近的黑洞也在1000光年之外，因此这个问题纯粹是个理论问题。然而，正是通过研究这样一种可能性，物理学家希望能够取得突破，尝试将广义相对论和量子力学统一成量子引力理论——这也是现代物理学中最棘手的问题之一。
黑洞信息
黑洞长久以来一直是滋生悖论的肥沃温床。早在1974年，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和以色列希伯来大学的雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）就证明，黑洞并不是全黑的。相反，它们会辐射出能量，被称为霍金辐射，由光子和其他量子粒子构成——这个过程极其缓慢，但最终会导致黑洞完全蒸发。
霍金发现，这个理论存在一个问题。这种辐射看上去相当随机，因此霍金推测它不可能携带任何与掉入黑洞的物质有关的信息。因此，随着这个黑洞蒸发殆尽，它拥有的信息最终必定会消失。然而，这与量子物理的核心宗旨直接冲突，因为量子物理认为信息不可能被消灭。黑洞信息悖论就此诞生。
几十年来，物理学家一直在努力解决这个悖论。霍金曾认为是黑洞摧毁了信息，向量子力学提出了质疑。其他人并不赞同这一观点。毕竟，霍金的想法源自于他本人对融合广义相对论和量子力学所做的尝试——这一数学壮举本身的艰深迫使霍金必须要作一些近似才行。普瑞斯基尔甚至和霍金打赌，押黑洞不会摧毁信息。
有几个论据指出，霍金错了。最令人信服的一个论据，来自于这样一种思考——蒸发中的黑洞变得越来越小会发生什么？如果信息无法逃逸，也无法被摧毁，就会有越来越多的信息被储存在越来越小的体积之中。但是，如果是这样的话，量子理论预言，无论在哪里，只要物质之间发生碰撞，产生一个微型黑洞的概率就会从几乎为零提高到无穷大。“你应该会在大型强子对撞机里看到黑洞，也应该会在费米实验室里看到黑洞，还应该在上世纪30年代那些房间那么大的粒子加速器里看到黑洞，”美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的理论学家唐·马罗夫（Don Marolf）说，“甚至当你在草地上跳来跳去时，你也应该看到黑洞才对。”
显然，这些并没有发生。而另一种可能性，即物质和它携带的信息能够从黑洞中泄漏出来，则是不太可能的。任何落入黑洞的物质都必须要以超光速运动才能逃脱黑洞可怕的引力。
也许，答案就藏在霍金辐射之中。它或许并没有那么随机。“常见的一个反应是，霍金只不过是大意了，”同在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的约瑟夫·波尔钦斯基（Joseph Polchinski）说，“信息并没有丢失，只是霍金没有一直追踪它们到底。”
然而，试图解决这一悖论的所有早期尝试，都被证明是不成功的。波尔钦斯基说：“霍金发现了一个真正深刻的问题。”
霍金后来在2004年改变了主意，部分原因在于阿根廷物理学家胡安·马尔达萨纳（Juan Maldacena）所作的研究（参见文末“霍金变了心”）。他承认，黑洞最终没有摧毁信息。他向普瑞斯基尔兑现了赌注，送给他一本棒球百科全书。普瑞斯基尔曾将棒球比喻成一个黑洞，因为它们都很重，而且从中获取信息都要颇费一番功夫。
进入深渊
物理学家的注意力很快就转移到了信息如何逃离黑洞上来。这个问题并不容易回答。正是在探究这些问题的过程中，新的黑洞火墙悖论成了人们关注的焦点。
如果信息真从黑洞中逃逸出去，会发生什么事情？一些物理学家对此已经猜测了很久，但即便是对他们而言，火墙也仍是一个引人注目的新名词。要理解它的含义，我们需要简单描述一下霍金辐射。空无一物的时空会不断地形成虚粒子对，从虚无中突然冒出来，又同样迅速地消失。这种情况在黑洞的事件视界附近会发生变化，因为对于掉入黑洞的任何东西而言，事件视界是一去不归的界线。偶尔，虚粒子对中有一个被吸入黑洞，另一个则逃逸出去。正是这些逃离黑洞的罕见粒子，构成了霍金辐射。
现在，如果霍金辐射带走了量子信息，就会产生一个问题。霍金最伟大的洞见就是，他证明了量子理论、广义相对论和热力学如何与黑洞全都联系在一起。这意味着，虚粒子对中落入事件视界内侧的那一个粒子能量会变得极高，足以把信息传送给黑洞外部的同伴粒子，由此它们便形成了一道火墙，炽热得足以烧毁任何落入黑洞的人或物。
这与广义相对论告诉我们的黑洞特性严重相左。事实上，这样的火墙看上去是如此荒谬，以至于物理学家已经着手寻找其他方式，让黑洞无须“违规”即可向外传递信息。
美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的史蒂夫·吉丁斯（Steve Giddings）已经提出了一种可能性。他在美国俄亥俄州立大学萨米尔·马瑟（Samir Mathur）所作研究的基础上，提出了一个简单的黑洞模型。他的研究表明，如果量子理论在事件视界附近失效，黑洞内部的信息就有可能传送到遥远的外部区域，从而避免形成火墙。
问题在于，为了让这个模型能够奏效，吉丁斯不得不背弃“信息传播不能快过光速”这一禁忌。另一个问题是，他无法确切指出，量子理论应该在时空中的什么位置失效。尽管如此，这仍是一个诱人的想法。
于是，波尔钦斯基和他的学生——艾哈迈德·阿勒姆赫伊利（Ahmed Almheiri）和詹姆斯·萨利（James Sully）也投身到了其中。他们当时以为，把吉丁斯的模型和美国斯坦福大学伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）所作的早期研究结合起来，他们就能破解这一难题。
这意味着，他们要改造这一黑洞模型，让它能够与萨斯坎德提出的3个假设保持一致——这些假设被许多物理学家所珍视。其中一个假设自然是，信息不会随着黑洞的蒸发而丢失。其他假设则与一些思维实验有关，涉及到两位正在靠近黑洞的观测者，一个名叫爱丽丝，另一个叫鲍勃。勇敢的爱丽丝越过了黑洞的事件视界，谨慎的鲍勃则呆在外面。
根据第2个假设，呆在黑洞外面的鲍勃不会看到任何不寻常的东西。第3个假设则是，爱丽丝在穿过事件视界时也不会看到任何怪异的事情。这是因为事件视界并非一个物理边界，它只是轻微弯曲的普通时空中一块普通的真空区域罢了。
波尔钦斯基及其同事调和全部3个假设的尝试没有成功——如果信息不丢失，火墙就仍然会存在，爱丽丝则会被烧成灰烬。但失败并没有让他们气馁。波尔钦斯基说：“你先尝试去做某件事情，如果失败了，那还可以试着去证明，这件事不可能成功。”
他们的同事马罗夫也加入进来，展开了这项新的尝试。2012年7月，他们发表了一篇论文，证明这3个假设无法同时成立（参见arxiv.org/abs/1207.3123）。这引发了一场争论风暴：已经有40多篇论文在讨论这项研究，其中一篇认为他们的答案忽略了引力。
相对论惨败
如果霍金辐射确实把量子信息带出了黑洞，就像许多人认为的那样，那么量子力学对此就有话要说。比如说，在黑洞形成之初通过霍金辐射逃离黑洞的粒子A，量子理论预言，它会跟不知道多久之后逃出来的另一个霍金辐射粒子存在某种鬼魅般的关联，也就是量子纠缠。
现在，想象一个粒子B，它产生的时间要远远晚于A。粒子B是黑洞视界上形成的粒子对中的一个，另一个粒子C已经落入了黑洞。假设视界处的时空没有什么特殊，只具有轻微的引力和较小的曲率，这就使得视界处形成的虚粒子彼此会纠缠在一起。因此，B必定与C纠缠。但是，由于早期的霍金辐射必定与后来的霍金辐射相纠缠，因此B与A也相互纠缠。
可惜，这违背了量子力学中另一条被物理学家珍视的原则，被称为量子纠缠的专一性。简单来说，粒子B可以与A纠缠，也可以与C纠缠，但不能跟两者同时纠缠。
于是，这个难题兜了一圈又回到了原点。如果我们想把信息弄出黑洞，A就必须与B纠缠。如果我们要让事件视界处的时空没什么特殊，可以让爱丽丝掉入黑洞而不被烧成灰烬，那么B就必定与C纠缠。必须得放弃一些东西才行。那么，该被放弃的，会是量子力学，还是广义相对论？
先看量子力学和它预言的信息守恒。它们会是错的吗？波尔钦斯基认为这不可能，因为马尔达萨纳的研究工作是最强有力的数学论证之一，支持量子力学保持原样不变。更重要的是，量子力学是一个已经经受过极其严格检验的理论，即便是细微的改变也会使它偏离实验结果。
另一个选择是，质疑黑洞视界处真空的状态。如果视界两侧的粒子B和C不再纠缠，量子纠缠的专一性就不会遭到破坏。但是，破坏这种纠缠会让黑洞的事件视界处于某种动荡不定的热力学状态，重新造成了一道火墙。于是，爱丽丝非但不会毫无征兆地飘过视界，反而会被高达1032开尔文的高温瞬间焚成灰烬。
这让马罗夫感到沮丧。广义相对论认为，穿越黑洞的事件视界应该没有什么大不了才对。“火墙会严重违背广义相对论，”他说，“在广义相对论和量子力学的这场斗争中，广义相对论输得很惨。对此我感觉相当不爽，因为我觉得自己是一个受过正规训练的相对论主义者。”
新思维
对这一点感到不爽的，不止马罗夫一人。“你正在非常平滑的时空中相当自在地向前滑行，然后突然之间，砰的一声！你撞上了这道火墙，被烧成了灰烬，”普瑞斯基尔说，“这实在太疯狂了。”
尽管如此，如果黑洞能把信息传递给霍金辐射，火墙仍然是最好的解释。萨斯坎德对火墙仍有怀疑，但他认为，火墙可能代表着奇点向视界的迁移，而在传统的黑洞物理学中，奇点位于黑洞的中心。
即使火墙真的会形成，对于它们会在何时形成，萨斯坎德也有不同的意见。对于一个半径与质子相当的黑洞，波尔钦斯基、马罗夫及其同事认为，火墙会在黑洞形成后的10-20秒形成，而在萨斯坎德看来，形成火墙所需的时间将像宇宙的年龄一样漫长。
无论火墙何时形成，只要它们出现，我们所知的时空就会在视界处终结。马罗夫说：“如果整个黑洞视界变成了这样一道火墙，截断了黑洞的内部，那么黑洞的内部或许就根本不存在了。”
如果黑洞附近的时空具有某些特殊性，导致信息能够超光速传播，那么这个悖论也可以得到解决。或许吉丁斯和马图尔会意识到它的重要性，尽管对于相对论而言，这会是又一个打击。
故事的结局是，在霍金提出黑洞信息悖论近40年之后，问题依然挥之不去。它迫使物理学家更深入地审视起他们的理论。然而，就像波尔钦斯基所说，“我跟20年前一样困惑”。
普瑞斯基尔说，这不是一件坏事。“总会有第4种可能性：以上答案都不对，而是某种我们还没有想到的东西。无论它撼动下来的是什么，结果都是有趣的，”他说，“所有选项都够疯狂，这正是这一局面如此美妙之处。”
霍金变了心
正是弦论学家胡安·马尔达萨纳取得的突破，最终导致史蒂芬·霍金改变了他在黑洞和信息方面的主张。1997年，马尔达萨纳用弦论的数学证明，描述黑洞内部的引力理论等价于描述黑洞表面的量子理论。这听起来很深奥，但马尔达萨纳的研究是非凡的。尽管我们还不知道哪种引力理论能够从整体上描述黑洞，我们却知道如何在黑洞表面运用量子理论。这意味着，量子力学在黑洞表面仍然有效，而且随着黑洞蒸发，信息并不会丢失。需要说明的是，马尔达萨纳研究的时空，在类型上不同于我们宇宙中的时空，但他的结果极具说服力，使得物理学家不愿意再纠结于此。
编译来源：《新科学家》，Black hole firewall: Trouble on the edge
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