霍金：黑洞不存在
利維坦按：關於黑洞的迷思其實已有逾百年的歷史，最早的概念由德國天文學家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）在1916年通過計算愛因斯坦引力場方程得出「一個不可思議的天體」，隨後被美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）命名為「黑洞」。
霍金在1974年加入了關於黑洞的討論。他所提出的「黑洞蒸發理論」推翻了前期對於黑洞「只進不出」的認知，認為黑洞也可以向外發射物質。從這一時間點一直到2014年霍金髮文聲稱「黑洞不存在」，期間黑洞理論遭受了各種形式的矯正（詳見下文），至今依舊沒有定論。
（www.nature.com/news/stephen-hawking-there-are-no-black-holes-1.14583）
在情感上，我們對這位科學巨匠的逝去表示惋惜。但在黑洞的探索進程中，霍金只是試圖解決問題的人中較為著名的一員，在沒有得到一致認可的觀點之前，所有觀點與理論都有被懷疑的必要。因此我們無法指望如此一個巨大的謎團在幾十年內得到答案，真正解決問題的人可能還沒有出生。
文/Jennifer Ouellette
譯/斬光
校對/兔子的凌波微步
原文/www.quantamagazine.org/stephen-hawkings-black-hole-paradox-keeps-physicists-puzzled-20180314/
本文基於創作共同協議（BY-NC），由斬光在利維坦發布
1979年，霍金在新澤西州普林斯頓。圖源：Santi Visalli/Getty Images
今天（編者註：本文發表於2018年3月14日），英國著名物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）逝世了，享年76歲。他生前是個愛打賭的人，經常與同事就理論物理學中的關鍵問題打上幾個不失友好的賭。「我第一次碰到霍金時，我就注意到他挺喜歡別人對他進行挑戰的，」 加州理工學院的物理學家約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）今天稍早些時候在Twitter上寫道，「所以在一次科學討論中，我突然打斷他，『你怎麼能這麼肯定呢，萬事通先生？』他果然眨了眨眼皮，回應道：『想打個賭嗎？』」
說打就打。1991年，霍金和基普·索恩（Kip Thorne）為一方，普瑞斯基爾為另一方，打了個賭：霍金方認為掉進黑洞的信息都被毀滅了，永遠不可能逃出來。這個觀點被稱之為黑洞信息悖論，是從霍金在1974年有關黑洞的一項重大發現推論出來的。黑洞是引力強大到光都不可逃脫的區域，這片區域的時空圍繞著一個中心點急劇扭曲，此中心點就是「奇點」。
霍金在1974年發現，黑洞不是真的純黑一片。量子不確定性會導致黑洞輻射出少量熱量，即「霍金輻射」。在這個過程中，黑洞損失了質量，並最終會導致其蒸發到完全消失。這種蒸髮帶來了一個悖論：任何掉進黑洞的東西看似都會徹底消失，這違反了「幺正性」（unitarity）——量子力學中的一個中心原則，認為現在的量子態總會保存有關過去態的信息。（譯者註：就是下文所說的，信息不能毀滅。）
圖源：NASA/Goddard Space Flight Center/CI Lab
霍金和索恩爭論到，僅從原理上來說，黑洞發射出的輻射將被嚴重地擾亂，從而使人無論如何都不能從中獲取任何有關掉進了黑洞的物質的信息。普瑞斯基爾則打賭信息一定會經由某種方式逃出黑洞，儘管物理學家大概會需要一個完備的量子引力理論來理解這種方式背後的機制。
物理學家在2004年發明了「黑洞互補性」（black hole complementarity）概念，並自認為解決了這一悖論。根據這個設想，穿越黑洞視界（即黑洞的邊界）的信息既會反射回來，也會穿越進去，但絕不會消失。但因為任何一個觀察者都不能同時身處黑洞視界的內部和外部，所以也不會有人能同時見到兩種情形發生，那麼就不會有矛盾產生。
這條論據強大到讓霍金確信自己輸掉了賭局。2004年，在愛爾蘭都柏林的一次演講中，他當場贈送給普瑞斯基爾一本第八版《棒球大全：終極棒球百科》（Total Baseball: The Ultimate Baseball Encyclopedia）——「信息能夠隨心所欲從中恢復出來」。
圖源：Giphy
然而索恩卻拒絕認賭服輸，而且似乎他還做對了。2012年，有關這個悖論再起波瀾。沒人能夠精確解釋信息究竟是如何從黑洞中逃出來的，這一理論上的空白激發約瑟夫·波爾欽斯基（Joseph Polchinski）和三位同事再次研究這個問題。傳統理論長期以來都認為，人們一旦穿越視界，就會在他們掉向奇點的過程中，慢慢地被極端強大的引力拉扯成碎片。波爾欽斯基和同事卻認為，下落的觀察者在視界上就會遭遇一道真實的火牆（能量幕簾），把他們燒得灰飛煙滅，根本不用等到靠近奇點時才被扯碎。
火牆謎題的核心隱藏著物理學三條基本假設的衝突。第一條是愛因斯坦廣義相對論的等效原理：既然人們完全無法區分引力導致的加速度和火箭導致的加速度，那麼名為愛麗絲（Alice，Alice和Bob是信息領域的常用黑話，指一對兒傳遞信息的人）的宇航員在穿越視界時根本不會感受到任何異常。第二條是量子力學幺正性，它意味著信息不能毀滅。最後一條是局域性，認為發生在空間中某一特定地點的事件只能影響附近的區域。這意味著物理學定律只能在遠離黑洞的區域按照預期正常運作，但一旦進入黑洞就會分崩離析——甚至不只是在奇點，在視界上就會失效。
為了解決這個悖論，我們必須犧牲以上三條基本假設中的一條，但大家卻在砍掉哪條上達不成一致。最簡單的解決方案是讓等效原理在視界上就失效，從而導致火牆的產生。但隨後幾年裡，又有人提出了其他幾種可能的解決方案。
圖源：Metro
例如，就在火牆那篇文章發表幾年前，俄亥俄州立大學弦理論家薩米爾·馬瑟（Samir Mathur）就提出了一個類似的理論，用他的話講是「黑洞毛球」。毛球黑洞不像傳統黑洞那樣是個空空如也的深淵。它純粹是一個填滿了弦（就是弦論里說的那種弦）的球，像恆星或行星那樣擁有一個表面。它也會以輻射的形式發射熱量。而且，馬瑟發現，這種輻射的頻譜與霍金輻射理論推導出的完全符合。他的「毛球假想」宣告這個悖論完全是無本之木，從而解決了它——如果根本沒有視界的話，信息怎麼會在視界另一邊消失呢？
2014年1月末，霍金在科學論文預印本文庫arxiv.org上發表了一篇僅有兩頁、沒有方程的論文，以此加入了火牆辯論。2003年春天，他通過Skype在一個小型會議上發表了非正式評論，而這篇論文就是這些評論的合集。
戴維·卡普蘭（David Kaplan）探索物理學中的一個最大之謎：廣義相對論和量子力學的明顯矛盾。攝像：Petr Stepanek。編輯和動畫：MK12。音樂：Steven Gutheinz。
他的思路與馬瑟相似，提出了一種對視界本身的再思考。與其說天空中有一道絕對的分界線，這條邊界之上的什麼東西都不能逃脫，霍金提出，那裡其實可以是一道「視表面」（apparent horizon，用以替代原來的視界概念，可以想像成一個很大的球狀外殼。因此在霍金2014年的理論中，不存在視界，因此也不存在因為視界產生的悖論，不存在傳統概念上的黑洞）。信息只是暫時被束縛在這道界線里，最終仍會逃脫，但逃脫時卻被嚴重擾亂了，人們無從破解。他用天氣預報作類比：「誰也不能提前好幾天預報天氣。」
這時候，黑洞與霍金輻射粒子成為一體，黑洞就是這麼一個章魚一般的結構。
2013年，兩位理論物理學家，斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）和普林斯頓高等研究院的胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）做了一次保存局域性原理的激進嘗試，他們猜測「ER=EPR」（蟲洞=量子糾纏）。根據這個思想，我們以為的時空中相距甚遠的兩個點或許並不真的那麼遠。或許量子糾纏能製造出不可見的微型蟲洞，把看似相隔很遠的點連接起來。這種長得有點像章魚的蟲洞會把黑洞內部直接連接到霍金輻射粒子，那麼仍然處於黑洞內部的粒子就會與早已逃逸的粒子直接連接起來，從而使信息不必穿越視界。
物理學家至今也沒有在上述任何一個理論上達成一致。在霍金首次提出黑洞信息悖論的幾十年後，物理學家們仍然在繼續就此發生爭論，這無疑是對這位獨一無二的天才的最好的祭奠。
譯後補充：
這文章實在不友好，太高屋建瓴了。經過一番查閱，整個邏輯鏈條是這樣的：
信息不會丟失；信息不可克隆；量子糾纏只能是一對一的。
信息進入黑洞，黑洞會因為霍金輻射蒸發到消失，那麼信息就丟失了，產生矛盾。
那麼信息去了哪裡？隨著霍金輻射出來了嗎？
如果信息隨著霍金輻射出來了，那麼進入黑洞內部的觀察者會看到一份信息，黑洞外邊的人也會看到一份信息，那麼信息就克隆了，產生矛盾。但黑洞互補原理認為，因為黑洞內外的觀察者無法交流，所以不會有矛盾。
此時考慮霍金輻射的量子機制。憑空漲落產生一對糾纏粒子A和B，A進入黑洞，B逃出。B若要傳遞信息，勢必與已經逃出的所有粒子構成的系統C糾纏起來，那麼B就同時與兩個系統糾纏，產生矛盾。
為解決這一矛盾，在B逃出時，必須與A解開糾纏，這就需要大量的能量，所以視界外必須有一道高等粒子組成的火牆，來把A和B的糾纏打斷。但這麼一來，掉進黑洞的宇航員就會被燒死，這跟廣義相對論所預言的穿越視界「感覺毫無異常」相悖。
由此，物理學家給出了本文的三種理論。黑洞毛球論：不存在視界，黑洞就是一團弦。黑洞不存在論：沒有視界，只有一個看起來像是視界的東西，它只是把信息暫存，之後會慢慢放出，但放出的方式是混沌的，沒有實際價值。ER=EPR：黑洞與霍金輻射粒子同在，同屬一個結構。
往期文章：
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