掉入黑洞應該是被「麵條化」，還是應該被「黑洞火牆」變成粒子

近幾年來，自殺現象有越發嚴重之勢。不過，我們今天要談的「自殺」卻是一種試驗，一種基於物理和數學形式的試驗，或者說是宇宙中的黑洞試驗。它試圖解決一個悖論——黑洞火牆是否存在？

這涉及到一個根本矛盾：該放棄的，是廣義相對論，還是量子力學？

2012年3月，美國科維理研究所的弦論專家約瑟夫·波爾欽斯基（Joseph Polchinski）教授開始思考這樣一個「自殺」問題：當宇航員落入黑洞後會發生什麼。答案很顯然，他一定會死。但是，他會以一種怎樣的方式死亡？不同的理論給出了兩個截然不同的描述。

廣義相對論與量子力學的對抗

經典廣義相對論的引力理論給我們講述了宇航員這樣的旅行故事：落入黑洞後，一開始，他不會有什麼特別的感覺，儘管他已經穿過了沒有物質可以逃脫的事件視界。但在數小時或者數天後（當然，如果黑洞足夠大的話，也有可能是數周后），如果他的雙腳還是朝向黑洞中心，那麼他會開始感覺到，腳部受到的引力比頭部受到的引力更強烈。由於宇航員急速下墜，黑洞的引力差會迅速增加，在他落入黑洞無限緻密的核心之前將他撕裂。

但是基於量子效應，波爾欽斯基與他的同事、學生通過計算，卻為我們講述了一個完全不同的故事：量子效應會把事件視界變成一個沸騰著無數粒子的大漩渦，任何落入其中的人都會像碰上火牆一樣，瞬間化為灰燼。

波爾欽斯基小組發表了他們的研究結果，這個結果震驚了物理學界——它違反了愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論的引力理論。作為廣義相對論的奠基理論，等效原理告訴我們：在某種程度上，只要觀察者落入引力場，哪怕是一個黑洞中的超強引力場，他看到的景象與他漂浮在空曠宇宙中看到的也完全一樣。沒有這個原則，愛因斯坦的理論框架將會被粉碎。波爾欽斯基和他的合作者深知，這個結論會造成多大的影響，於是，他們又為故事安排了另一個結局——事件視界沒有形成火牆。然而，這種解決方法也附加了巨大的代價，物理學家將不得不犧牲科學的另一大支柱——量子力學。

「這撼動了我們大多數人所相信的黑洞的理論基礎，」加州大學伯克利分校的弦論專家拉斐爾·布索（Raphael Bousso）說，「它本質上是廣義相對論與量子力學的對抗，下一步應該往哪走？我們沒有任何線索。」加州大學聖巴巴拉分校的量子物理學家史蒂夫·吉丁斯（Steve Giddings）將這種情況描述為「需要一場革命來解決的危機中的物理學」。

數十年來，無數理論物理學家一直在尋找一條道路，這條道路能夠完美地形成統一理論——「量子引力」，畢竟它包容著所有的自然基本力。

已故科學家霍金輸掉了科學史上最著名的一次賭局

火牆危機的根源可以追溯到1974年，當時，英國劍橋大學的物理學家斯蒂芬·霍金

（Stephen Hawking）研究表明，正是因為量子效應才使得黑洞具有溫度。若處在孤立狀態，黑洞會慢慢噴湧出熱輻射——光子和其他粒子，並導致其質量漸漸減輕，直到它們完全蒸發。

在量子領域，「空」的空間並不是空的。在亞微觀層面，粒子及其相應的反粒子在迅速重組和消失之前會不斷地碰撞。我們只有在觀察設備足夠精密的實驗室中，才能觀測到這些亞微觀的反應結果。但是，當粒子和反粒子對（受黑洞的引力場激發產生的正反粒子對）恰好出現在黑洞的事件視界外時，其中一個粒子可以在重組之前落入黑洞，

離開倖存的合作夥伴，向外輻射。而另一個註定毀滅的攜帶負能量的粒子，則會平衡沖向黑洞外面帶有正能量的粒子，這是由量子定律決定的。由於這個平衡的過程發生在黑洞表面也就是事件視界，而落入黑洞的負能量粒子會與黑洞中的正能量粒子抵消，從而表現為正粒子從黑洞中「跑」出來了，所以該過程又被叫做黑洞蒸發。通過黑洞蒸發，黑洞的質量會逐漸減少，並最終導致黑洞收縮。

多年來，不少研究人員對霍金提出的黑洞原始分析進行了完善和改進，現在幾乎已經被人們普遍接受。但隨之也帶來了一個令人不安的後果：黑洞輻射理論會引出一個挑戰量子理論的悖論。量子力學認為信息不能被破壞，原則上，我們可以通過測量從黑洞輻射出的粒子的量子態，來恢復一切落入黑洞的物質的信息。但霍金卻認為輻射是隨機的，將1千克重的石頭或計算機晶元拋入黑洞，其結果將是相同的。就算能夠觀測黑洞直至它死亡，我們仍然沒有辦法知道它是如何形成的，或者有什麼東西落入其中。這個問題，就被稱為黑洞信息佯謬。

黑洞信息佯謬將物理學家劃分為兩大陣營。霍金陣營認為，信息沒有逃離黑洞，在黑洞死亡時，信息會真正消失。而由量子物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）領銜的另一陣營，則堅持用量子力學解釋黑洞。約翰說：「我也曾認真地嘗試建立一個替代理論，包括信息丟失。但我始終找不到一個能夠行得通的理論——沒有人可以做到。」兩大陣營秉承己方的觀點，僵持了20年。1997年，普雷斯基爾公開與霍金打賭：信息並沒有丟失，贏家將收到一本百科全書。不過，大多數的科學家認為，這是一個不會有輸贏的賭局。

但同年，劍橋大學物理學家胡安·馬爾達塞納（Juan Maldacena）的一個發現打破了這個僵局。他認為，我們可以通過對二維邊界（2D）進行信息編碼，以此對建立在宇宙的任意三維（3D）區域進行描述。如果發生在3D宇宙中的任意事情都可以用2D宇宙中的方程描述出來，那也就意味著，即使3D黑洞蒸發了，它也可以在沒有引力、量子規律，且信息永遠不會丟失的2D世界中被描述出來。既然信息在2D世界中不可能丟失，那麼信息也必須在3D世界中得到保留。因此，無論如何，信息必須能夠逃離黑洞。

早在2004年，已故科學家霍金公開承認他輸掉了賭局，並按照之前的約定送給普雷斯基爾一本棒球百科全書。

爭論還在繼續

基於馬爾達塞納的發現，大多數物理學家認為矛盾已經解決了——儘管還沒有人能夠解釋霍金輻射是如何將信息從黑洞中「走私」出來的。說到這裡，故事似乎應該結束了，但事實並非如此。2012年初，當波爾欽斯基的團隊在清理一些未解決的零星小問題時，他們很快又遇到了另一個悖論，並最終將他們引向致命的火牆。

霍金已經表明，任何一個從黑洞逃逸的粒子的量子態是隨機的，所以粒子不能攜帶任何有用的信息。但在20世紀90年代中期，美國理論物理學家萊昂納德·薩斯坎德

（Leonard Susskind）卻意識到，信息可以在輻射的量子態整體上進行編碼。如果粒子能以某種方式具有自己的「糾纏」態，那麼不管相距多遠，它都能以某種形式立即影響其夥伴粒子。那麼，一個將要輻射出去的粒子，必須與被吞噬進入黑洞的孿生粒子處於「糾纏」態。然而，在量子力學的世界中，一個量子系統不能同時與兩個獨立系統完全糾纏，這就像如今社會中的一夫一妻制。那麼，究竟哪一種糾纏關係才是合情合理的呢？

波爾欽斯基團隊不願放棄在霍金輻射中對信息進行編碼，於是他們決定切斷逃逸的霍金粒子和落入黑洞粒子的聯繫。不過，這樣的做法過於蠻橫，其結果顯而易見——無數孿生粒子間的聯繫被剪斷，釋放出巨大的能量，並最終將事件視界變成一堵燃燒的火牆，這堵火牆足以燒焦任何落入黑洞的人。然而，這樣的結果卻違反了等效原理。最終，波爾欽斯基將研究結果在arXiv上公布，向全世界的物理學家提出了一個嚴峻的抉擇：要麼接受火牆的存在，承認廣義相對論是錯誤的；要麼接受信息會在黑洞中丟失，承認量子力學是錯誤的。

這篇文章震驚了物理學界，有人說：「這等於非常離譜地宣稱，放棄愛因斯坦的等效原理是最好的選擇。」此後，在arXiv上以此為題的論文超過了40篇。但目前，還沒有人發現這個邏輯中的一個漏洞。如今，爭論還在持續發酵，也許通過黑洞，這個理論家眼中的天體，科學家們可以回過頭來好好思考一些物理學的基本問題了，讓我們拭目以待吧！

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