信息悖論——掉進(jìn)黑洞的物質(zhì)會(huì )被擠壓到黑洞那無(wú)限致密的核心去，但它所攜帶的信息會(huì )怎樣呢？以下有兩種情景的解釋?zhuān)盒畔⑾Вㄗ螅寒敽诙凑舭l(fā)后，它所攜帶的所有信息會(huì )隨之消失。根據量子效應，真空中充滿(mǎn)了粒子—反粒子對，二者互相關(guān)聯(lián)。通常情況下，粒子—反粒子對出現后瞬間即湮滅，但如果這對粒子和反粒子是出現在黑洞的事件視界，其中一個(gè)就會(huì )掉進(jìn)黑洞，而另一個(gè)會(huì )以霍金輻射的形式向外發(fā)出?！坝鲭y”粒子以負能量被吸入，黑洞由此而損失質(zhì)量，如果沒(méi)有普通物質(zhì)落進(jìn)去，黑洞最終將蒸發(fā)殆盡。黑洞中心是一個(gè)無(wú)限小且無(wú)限致密的奇點(diǎn)，卻并不包含形成黑洞的物質(zhì)信息?；饓Γㄓ遥簭暮诙摧椛涑鰜?lái)的所有粒子之間具有量子相關(guān)性，這些相關(guān)粒子攜帶著(zhù)信息。輻射出的粒子與落入黑洞的粒子之間要打破關(guān)聯(lián)性，會(huì )釋放出巨大能量而在黑洞周?chē)纬梢蝗饓?。即使黑洞蒸發(fā)完之后，由于兩個(gè)粒子之間的關(guān)聯(lián)性，“逃逸”粒子也包含了“落難”粒子的所有信息。
掉進(jìn)黑洞的宇航員會(huì )被扯成碎片還是被燒焦？這一問(wèn)題從2012年夏天起就成了理論物理學(xué)界的爭論焦點(diǎn)，圍繞相關(guān)主題發(fā)表的文章超過(guò)了40篇，至今沒(méi)有結論。因為它把物理學(xué)的兩大支柱——廣義相對論的等效原理和量子力學(xué)直接擺在了對立面。
如果一個(gè)宇航員掉進(jìn)了黑洞
2012年3月，美國加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分?？ǜダ锢碚撐锢硌芯克南依碚搶W(xué)家約瑟夫·普金斯基開(kāi)始思考“自殺”的問(wèn)題——以數學(xué)形式進(jìn)行的思想實(shí)驗：如果一個(gè)宇航員掉進(jìn)黑洞會(huì )發(fā)生什么情況？很顯然他會(huì )死，但究竟怎么個(gè)死法呢？
按照當時(shí)公認的理論，最初他不會(huì )感到有任何特別，即使在他落到黑洞的事件視界時(shí)。事件視界是一個(gè)看不見(jiàn)的界限，在界限以?xún)葲](méi)有任何東西能逃離黑洞的吸引。但最終，幾小時(shí)、幾天或幾個(gè)星期后，如果黑洞足夠大，他會(huì )開(kāi)始覺(jué)察到拉著(zhù)他腳的重力比拉著(zhù)他頭的重力更強大，這種吸引力拖著(zhù)他無(wú)情地向下落，重力差會(huì )迅速加大而將他撕裂，最終他的遺體會(huì )被扯得粉碎而落入黑洞那無(wú)限致密核心。
普金斯基和他的兩個(gè)學(xué)生艾哈邁德·艾姆哈里、詹姆斯·薩利，加上該校的另一位弦理論學(xué)家唐納德·馬洛夫一起，對這一事件進(jìn)行了重新計算。根據他們的計算，卻呈現出完全不同的另一番場(chǎng)景：量子效應會(huì )把事件視界變成沸騰的粒子大漩渦，任何東西掉進(jìn)去都會(huì )撞到一面火焰墻上而被瞬間烤焦。
研究小組在去年7月發(fā)表了他們的計算結果，震動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)界：因為這面火墻違反了基本的物理學(xué)法則——等效性原理。等效原理即引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量等效，在任何一個(gè)時(shí)空點(diǎn)上都可以選取適當的參考系，使物質(zhì)的運動(dòng)方程中不再含有引力項，即引力可以局部地消除。按照這一原理，宇航員掉進(jìn)萬(wàn)有引力場(chǎng)——即便是像黑洞那么強大的引力場(chǎng)時(shí)，他所看到的實(shí)際景象和飄在太空的觀(guān)察者所看到的是一樣的。等效原理最早在一個(gè)世紀前由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦清晰地提出，并作為他《廣義相對論》的基礎。如果等效原理不成立，愛(ài)因斯坦的理論框架也將瓦解。
普金斯基等四人也深知這一推論可能導致的后果，所以還提出了另一種備選結局：沒(méi)有形成火墻。但這種解釋的代價(jià)同樣巨大，他們不得不犧牲量子力學(xué)，這是描述亞原子粒子之間相互作用的理論法則，也是物理學(xué)的另一根支柱。
這一結果激起了一股研究火墻熱潮，物理學(xué)家們紛紛拋出各種方案試圖打破僵局，但還沒(méi)有一篇論文能解釋得讓所有人都滿(mǎn)意。面對這種狀況，圣芭芭拉分校的量子物理學(xué)家斯蒂芬·吉丁斯說(shuō)這是“一場(chǎng)物理學(xué)基礎的危機，需要一次革命才能解決問(wèn)題?！?/p>
上個(gè)月，物理學(xué)界研究黑洞的專(zhuān)家們齊聚在瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理研究所（CERN）召開(kāi)會(huì )議，面對面地討論了這一問(wèn)題，希望能打開(kāi)一條通向“量子引力”統一理論的新途徑，將自然界所有的基本力囊括其中——或許這將成為物理學(xué)家們幾十年來(lái)未曾有過(guò)的榮耀。
火墻的想法“動(dòng)搖了大部分人所相信的黑洞理論的基礎”，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校弦理論學(xué)家拉斐爾·布索在會(huì )議上說(shuō)，“從根本上說(shuō)，它把量子力學(xué)放在了廣義相對論的敵對面，卻沒(méi)給我們留下任何線(xiàn)索：下一步該朝哪個(gè)方向走？”
普利什基爾與霍金的“賭局”
說(shuō)到“火墻危機”的根源，還要追溯到1974年。當時(shí)英國劍橋大學(xué)的物理學(xué)家斯蒂芬·霍金證明，量子效應會(huì )使黑洞在達到一定溫度后變得孤立，然后黑洞會(huì )緩慢地發(fā)出熱輻射—光子及其他粒子—質(zhì)量逐漸減少，直到完全蒸發(fā)掉。
但這些粒子并不是火墻，落入事件視界的宇航員不會(huì )注意到這種輻射，這是它與相對論所描述場(chǎng)景之間的細微差別。但霍金的結果依然令人震驚，因為按照廣義相對論方程的描述，黑洞只會(huì )吞噬質(zhì)量而增長(cháng)，并不會(huì )蒸發(fā)。
基本上，霍金的爭論進(jìn)入到了對量子領(lǐng)域的觀(guān)察，“空”間并非是真空，在亞微觀(guān)的尺度上，它處于一種持續不斷的動(dòng)蕩漲落狀態(tài)：成對的粒子和反粒子不斷出現又迅速湮滅。只有在非常精微的實(shí)驗中，才能觀(guān)察到這種亞顯微程度的混亂?；艚鹨庾R到，當一對粒子—反粒子出現在黑洞的事件視界時(shí)，其中一個(gè)會(huì )落入黑洞，使它們不能再結合湮滅，幸存的那個(gè)粒子會(huì )以輻射形式向外發(fā)出，為平衡向外發(fā)出粒子的正能量，被吸入的粒子會(huì )以負能量進(jìn)入——這是量子法則所允許的，負能量將從黑洞的質(zhì)量里扣除，從而使黑洞縮小。
霍金的原始分析已經(jīng)過(guò)提煉并由許多研究人員加以擴展，其結論現在已被廣為接受。但這也帶來(lái)了令人不安的現實(shí)，黑洞輻射對量子力學(xué)理論提出了質(zhì)疑。
量子力學(xué)認為信息不會(huì )消滅。從理論上說(shuō)，通過(guò)檢測從黑洞發(fā)出輻射的量子態(tài)，就可能獲得掉進(jìn)去的那個(gè)粒子的一切信息。但霍金指出事情沒(méi)那么簡(jiǎn)單：發(fā)出輻射是隨機的。擲一公斤的石頭或一公斤計算機芯片結果都一樣，看著(zhù)黑洞直到它死亡，也沒(méi)辦法知道它是怎么形成的或有什么東西落到了上面。
這稱(chēng)為黑洞信息悖論。對這一問(wèn)題，物理學(xué)家們分成兩個(gè)陣營(yíng)：一派以霍金為代表，認為在黑洞死亡時(shí)信息真的會(huì )消失，如果這與量子法則相矛盾，則需另建更好的量子理論。另一派以加利福尼亞理工學(xué)院的量子物理學(xué)家約翰·普利什基爾為代表，則堅持站在量子力學(xué)這一方?！坝幸欢螘r(shí)間，我很認真地試圖重新構建一個(gè)包含信息損失的替代理論?！?普利什基爾說(shuō)，“但我找不到任何有意義的東西，沒(méi)人能找到?！?/p>
這一僵局持續了二十年，直到1997年才有答案，這個(gè)答案現已眾所周知——當時(shí)普利什基爾與霍金公開(kāi)打賭而獲勝，他認為信息不會(huì )丟失，因此從霍金那里贏(yíng)了一本棒球百科全書(shū)。但在當年，打破這一僵局全靠哈佛大學(xué)物理學(xué)家胡安·馬爾達西那的發(fā)現。
馬爾達西那的發(fā)現建立在一個(gè)更早期觀(guān)點(diǎn)上，即宇宙中的任何三維區域都可以用二維邊界上的信息編碼描述出來(lái)，這和激光以二維全息圖的方式給三維景象編碼非常類(lèi)似。斯坦福大學(xué)弦理論學(xué)家，也是全息理論創(chuàng )世人之一的萊昂納多·薩斯坎德說(shuō)：“我們用‘全息’這個(gè)詞作為一種隱喻。但經(jīng)過(guò)更多數學(xué)推衍后，它似乎擁有了更實(shí)際的意義：宇宙是信息在邊界上的投影?！?/p>
馬爾達西那提出的是一個(gè)關(guān)于全息理論的具體的數學(xué)方程，同時(shí)借鑒了超弦理論的觀(guān)點(diǎn)，假設基本粒子是由極微小的能量環(huán)振動(dòng)而形成。他的模型描述了一個(gè)只受萬(wàn)有引力統治的、包含了弦和黑洞的三維宇宙，經(jīng)由一個(gè)二維面反射，其中的元素粒子和場(chǎng)域遵循普遍量子法則而無(wú)需萬(wàn)有引力。住在此三維空間的居民永遠也看不到這個(gè)界面，因為它在無(wú)限遙遠的地方。但這并不重要：三維宇宙中發(fā)生的任何事都可以用二維宇宙中的方程同樣完好地表達出來(lái)，反過(guò)來(lái)也一樣?！拔野l(fā)現了一個(gè)數學(xué)詞典，能讓你在這兩個(gè)世界的‘語(yǔ)言’之間來(lái)回轉變?！?馬爾達西那解釋說(shuō)。
這意味著(zhù)，即使是一個(gè)三維黑洞的蒸發(fā)，也能用二維世界的語(yǔ)言來(lái)描述，在這里沒(méi)有萬(wàn)有引力，只以量子法則為最高準則，這里的信息也永遠不會(huì )丟失。如果這里的信息能被保存，那也已訂購能被保存于三維世界中。但出于某種原因，信息卻在從黑洞中逸失。
那堵讓人顛三倒四的“火墻”
幾年后，馬洛夫證明了任何量子-引力模型都要遵守相同法則，不管它是不是從弦理論構建的?！斑@一結合了馬爾達西那和馬洛夫的研究，讓我有了轉變?！瘪R里蘭大學(xué)量子物理學(xué)家泰德·雅各布說(shuō)，他長(cháng)期以來(lái)一直堅持信息損失論。2004年，霍金公開(kāi)承認了他的錯誤，輸給普利什基爾一本厚厚的棒球百科全書(shū)，結束了物理學(xué)界這場(chǎng)著(zhù)名的賭約。
這就是馬爾達西那發(fā)現的意義：讓大部分物理學(xué)家認為悖論已經(jīng)解開(kāi)，雖然還沒(méi)人能解釋霍金輻射怎樣從黑洞中走漏了信息的?！拔也聹y，我們只是都在假設會(huì )有一個(gè)明確的答案?！逼战鹚够f(shuō)。
但事實(shí)并非如此。2012年初，當普金斯基和研究小組著(zhù)手去厘清這模糊的一端時(shí)，他們很快碰到了另一個(gè)矛盾，這個(gè)矛盾讓他們導出了致命的火墻。
霍金曾指出，從黑洞中逃逸的任何粒子的量子態(tài)都是隨機的，所以粒子不可能攜帶任何有用的信息。但到了上世紀90年代中期，薩斯坎德和其他一些物理學(xué)家意識到，如果粒子各自的狀態(tài)有某種程度的“糾纏”的話(huà)，即對其中一個(gè)進(jìn)行測量將立即影響另一個(gè)而不管它們之間相隔多遠，那么輻射量子態(tài)中的信息就能以一個(gè)整體的形式被編碼。
但實(shí)際情況又是怎樣的呢？對一個(gè)將被發(fā)射出去的粒子而言，與其糾纏的“另一半”將犧牲在黑洞里。如果薩斯坎德他們是對的，它還得跟所有在它之前發(fā)出的霍金輻射相糾纏。然而在量子力學(xué)中有一個(gè)嚴格的事實(shí)叫做“糾纏一對一”，即一個(gè)量子系統不可能同時(shí)與兩個(gè)獨立系統完全糾纏。
為了躲開(kāi)這一悖論，普金斯基與論文合著(zhù)者們意識到，其中之一的糾纏關(guān)系變得難以為繼，為了給霍金輻射編碼，不得不放棄。他們決定剪掉逃逸的霍金粒子與其落難“伴侶”之間的聯(lián)系，但這是有代價(jià)的?！斑@是一個(gè)狂暴的過(guò)程，就像打破分子鍵一樣要釋放出能量?！逼战鹚够f(shuō)，這些能量是由于切斷大量粒子對之間關(guān)聯(lián)而產(chǎn)生的，因此十分巨大?！笆录暯鐚⒆兂梢粋€(gè)大火圈，燒掉任何掉進(jìn)去的東西?！钡欠催^(guò)來(lái)，又違反了等效原則以及它所認定的自由落體所感到的情景應該和飄在太空一樣，如果是這樣，則物體不可能以燒毀而告終。所以，他們先在arXiv網(wǎng)站發(fā)表了一篇論文，坦白地給物理學(xué)家們提出了一個(gè)兩難選擇：要么接受火墻的存在，這將打破相對論；要么接受黑洞信息會(huì )丟失，量子力學(xué)是錯的。馬洛夫說(shuō)：“對我們來(lái)說(shuō)，在這兩難之選中選擇火墻只是不那么瘋狂而已?！?/p>
這篇論文震驚了整個(gè)物理學(xué)界。雅各布森說(shuō)：“把放棄愛(ài)因斯坦的等效性原則作為最佳選擇，這簡(jiǎn)直是難以容忍的?！辈妓饕餐?，還補充說(shuō)：“火墻憑空出現在太空中，這可能性并不比一堵磚墻憑空出現撞到人們臉上的可能性更大?！比绻麗?ài)因斯坦的理論在事件視界不適用，宇宙學(xué)家們就不得不懷疑，它在其他地方能不能完全適用。
普金斯基也承認，他們有可能犯下愚蠢的錯誤，所以他找到了全息理論奠基人之一的薩斯坎德，請他幫忙尋找疏漏的地方?！拔业牡谝环磻撬麄兣e了，”薩斯坎德說(shuō)，他還發(fā)表了一篇論文作為反駁，但經(jīng)過(guò)深入思考后他很快又收回了這些言論?！拔业牡诙磻撬麄兪菍Φ?，第三反應是他們還是錯的，第四反應是他們又對了?！彼χ?zhù)說(shuō)，“這讓我得了一個(gè)諢名叫‘悠悠’（the yo-yo），但大部分物理學(xué)家的反應跟我也差不多?！?/p>
從那以后，在arXiv上討論這個(gè)主題的文章超過(guò)了40篇，但迄今為止，還沒(méi)人能在邏輯上找出他們有任何缺陷?！斑@真是一場(chǎng)美好的爭論，這表明我們在對黑洞的理解上存在某種不一致的地方，”唐·佩吉說(shuō)，他是霍金在上世紀70年代期間的合作伙伴，現在加拿大埃德蒙頓的艾伯塔大學(xué)，也是為解決這兩難之選而提出創(chuàng )造性方案的成員之一。
“火墻”依然存在大家仍需努力
據薩斯坎德說(shuō)，大家最看好的一個(gè)方案是由美國普林斯頓大學(xué)量子物理學(xué)家丹尼爾·哈洛和加拿大麥吉爾大學(xué)計算機科學(xué)家帕得里克·海登共同提出的。他們的考慮是，如果那個(gè)宇航員真去測量的話(huà)，他能不能覺(jué)察到矛盾的存在。為了做到這一點(diǎn)，宇航員要首先對大部分向外發(fā)射的霍金輻射進(jìn)行分析，然后再跳入黑洞檢測落入其中的粒子。兩人的計算顯示，要對輻射加以分析是極其困難的，以至于在他分析完再跳進(jìn)去之前黑洞就已經(jīng)蒸發(fā)殆盡?！安](méi)有基本法則來(lái)阻止宇航員不能測量矛盾，”哈洛說(shuō)，“但實(shí)際上，這是不可能的?！?/p>
而吉丁斯認為，火墻悖論需要一個(gè)根本性的解決方案。根據他的計算，如果是逃逸粒子離開(kāi)事件視界一小段距離以后，外發(fā)的霍金輻射和落入黑洞的粒子之間的糾纏才被打破，那釋放出的能量就會(huì )大大減少，并不會(huì )產(chǎn)生火焰墻。雖然這保護了等效原則，但卻要修改部分量子法則。在歐洲粒子物理研究所的會(huì )議上，與會(huì )者都對吉丁斯的模型實(shí)驗大感興趣：該模型預測，當兩個(gè)黑洞合并時(shí)，它們可能會(huì )在時(shí)空中形成特殊的波紋，而被地球上的引力波天文臺探測到。
此外還有一個(gè)方案能挽救等效原則，但由于爭議太大而很少人敢去冒這個(gè)險：黑洞會(huì )有信息損失，在多年前那次打賭中霍金是對的，但卻不幸過(guò)早地認輸。事到如今形勢又反了過(guò)來(lái)，在去年底斯坦福大學(xué)召開(kāi)的關(guān)于黑洞火墻的專(zhuān)題討論會(huì )上，正是跟霍金打賭的普利什基爾拋出了這一反面方案。不過(guò)反響甚微?！傲钊梭@訝的是，人們并沒(méi)有認真地思考這一可能性，好像這跟火墻一樣瘋狂?！逼绽不鶢栒f(shuō)，盡管他本人補充了這一點(diǎn)，但在直覺(jué)上他仍認為信息是無(wú)損的。
物理學(xué)家們不愿把霍金以前的賭約拿來(lái)舊事重提，這也是一個(gè)跡象，表面了人們對馬爾達西那引力—量子理論詞典的巨大尊敬，這似乎也證明了信息不會(huì )損失?！斑@是迄今為止對萬(wàn)有引力的最深刻理解，因為它聯(lián)系到了量子領(lǐng)域?！逼战鹚够f(shuō)，他比較了馬爾達西那的結果和19世紀的單一理論發(fā)現，如與光、電、磁有關(guān)的理論?！叭绻饓χ疇幇l(fā)生在上個(gè)世紀90年代初，我想可能會(huì )引發(fā)激烈的關(guān)于信息會(huì )不會(huì )損失的論辯，”布索說(shuō)，“但是現在，沒(méi)人想證明‘馬爾達西那是錯的’?！?/p>
這讓馬爾達西那感到很榮幸，大部分物理學(xué)家都支持他而毫不隱晦地反對愛(ài)因斯坦，他覺(jué)得這有點(diǎn)不可能?！盀榱送耆斫饣饓︺Ｕ?，我們可能還得充實(shí)一下詞典，但卻不必把它扔掉了?！?/p>
迄今為止，唯一達成一致的是這一問(wèn)題不會(huì )很快平息。普金斯基擺出了科學(xué)家們提出的所有想要“平息”火墻的方案，仔細考慮著(zhù)他看到的其中的缺陷，最后得出結論說(shuō)：“我很抱歉沒(méi)人能推翻火墻，但是請繼續努力?！保ㄓ浾?常麗君 綜合外電）
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