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黑洞火墙：边缘上的危机
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Anil Ananthaswamy 文 Shea 编译 |
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 [图片版权]：Sam Chivers。 斯蒂芬·霍金在黑洞周围发现的问题杀了一个重重的回马枪——威胁着量子理论和引力。 “在物理学中悖论是个好东西“，约翰·普雷希尔（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，双胞胎中的一个以近光速往返一颗近邻恒星后，相聚后他们会对彼此的年龄产生了异议。每一个令人费解的窘境都迫使我们去审视其细节，从而促进我们理解它背后的理论。一个典型的例子是爱因斯坦，起因于想解决他的时间悖论而催生出了他的理论。 现在普雷希尔，这位美国加州理工学院的理论物理学家，正在绞尽脑汁思索这些悖论中最新一个的“表面”。它绰号“黑洞火墙悖论”，事关当有人掉入一个黑洞时会发生什么。 由于距离最近的黑洞也在1000光年之外，这个问题纯粹是理论上的。然而，正是通过研究这一可能性，物理学家们希望能在把广义相对论和量子力学统一成量子引力理论——现代物理学的最棘手的问题之一——中取得突破。 黑洞长久以来一直是滋生悖论的肥沃温床。早在1974年，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和以色列希伯来大学的雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）一起证明，黑洞并不是完全黑的。相反，它们会发射出霍金辐射，包括光子和其他的微观粒子——这个过程极其的缓慢，但最终会导致黑洞完全蒸发。 霍金发现这一图景存在一个问题。霍金辐射看上去是随机的，他推测它不可能携带任何和掉入黑洞的物质有关的信息。因此，随着黑洞蒸发，它所拥有的信息最终必定会消散。然而，这与量子物理的核心宗旨直接冲突，后者认为信息不灭。黑洞信息悖论就此诞生。 几十年来，物理学家们一直在努力解决这个悖论。霍金认为黑洞摧毁了信息，而这一观点违反了量子力学。其他人对此并不赞同。毕竟，霍金的想法源自他自己对融合广义相对论和量子力学的尝试——这一数学壮举本身的艰深迫使他要做近似。普雷希尔甚至和霍金打赌，他认为黑洞不会毁灭信息。 有几个观点认为霍金错了。最引人注目的论据之一来自思考随着蒸发中的黑洞变得越来越小会发生什么。如果信息无法逃逸或者被破坏，那么有越来越多的信息就会被储存在一个日益缩小的黑洞中。但是，如果是这样的话，量子理论认为，无论何时当物质间发生碰撞时，制造一个微型黑洞的概率会从几乎为零增长到无穷大。“你应该会在大型强子对撞机中看到它，你也应该会在费米实验室看到它，你还应该在20世纪30年代以来房间那么大的微型粒子加速器中看到它，”美国加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）的理论物理学家唐·马罗尔夫（Don Marolf）说，“甚至当你在草地上跳上跳下时，你同样应该能看到它。” 显然，这都没有发生。而另一种可能性——黑洞所携带的物质和信息可以从中泄漏出来——则是不可能的。任何落入黑洞的物质必须要以超光速运动才能逃脱黑洞可怕的引力。 但也许答案就藏在霍金辐射本身之中。它可能并不是那么的随机。“一个常见的反应是，霍金大意了，”同在UCSB的约瑟夫·波尔钦斯基（Joseph Polchinski）说，“这并不是说信息丢失了，而是他没有一直追踪它们到底。” 然而，早先试图解决这一悖论的所有尝试都被证明是不成功的。“霍金发现了一个真正深刻的问题，”波尔钦斯基说。 正如事后发生的，霍金在2004年改变了主意，这部分源于阿根廷物理学家胡安·马尔达萨纳（Juan Maldacena）（见插页“霍金的变心”）。他承认，黑洞最终没有毁灭信息。他向普雷希尔兑现了赌注，一本棒球百科全书，普雷希尔将其比喻为一个黑洞，因为它很重而且从中获取信息需要费一番努力。 进入深渊 注意力很快转移到了搞清楚信息如何逃离黑洞上。这不是一个容易回答的问题。正是通过探究这些问题，新的黑洞火墙悖论成为了关注的焦点。 对于长期怀疑当信息从黑洞逃逸可能会发生什么的物理学家来说，火墙是个引人注意的新名词。要理解它的含义，我们需要霍金辐射的一个简化图像。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。这一景象会在黑洞的事件视界附近发生变化，因为视界是任何掉入黑洞的东西一去不归的界线。偶尔地，这对虚粒子中的一个会被吸入到黑洞中，而另一则从黑洞周围逃逸。正是这一罕见的逃出黑洞的粒子构成了霍金辐射。 现在，如果霍金辐射带走了量子信息，就会产生了一个问题。霍金最伟大的洞察力就是展示了量子理论、广义相对论和热力学是如何都与黑洞联系在一起的。这意味着，虚粒子对中进入视界内的粒子会变得能量极高，因为信息被其同伴转运到了黑洞外部，由此形成了一道足以烧毁任何落入黑洞的人或物的火墙。 这与广义相对论告诉我们的有关黑洞特性严重相左。事实上，这些火墙看上去十分荒谬，因此物理学家已开始寻找无须违规黑洞即可向外传递信息的方式。 也在UCSB的史蒂夫·吉丁斯（Steve Giddings）已提出了一种可能性。他在美国俄亥俄州立大学的萨米尔·马图尔（Samir Mathur）工作的基础上，提出了一个黑洞的简单模型。他的工作证明，如果量子理论在视界附近失效，那么就有可能把黑洞内部的信息传递到遥远的外部区域，从而避免形成火墙。 但麻烦的是，为了使之奏效，吉丁斯不得不松开“信息不能以超光速传播”这一禁忌。另一个问题是，他无法确切指明在时空的哪个地方量子理论会失效。不过，这仍是一个诱人的想法。 波尔钦斯基和他的学生艾哈迈德·阿尔姆黑里（Ahmed Almheiri）以及詹姆斯·萨利（James Sully）也投身到其中。他们预计，通过把吉丁斯的模型和美国斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）的早期工作相结合，可以破解这一难题。 这意味着要将这一模型同由萨斯坎德提出、被许多物理学家珍视的三个假设进行调和。其一自然是随着黑洞蒸发信息也不会丢失。其他的则和思想实验有关，这涉及到名为爱丽丝和鲍勃的两个正在接近黑洞的观测者。勇敢的爱丽丝越过了黑洞的视界，而谨慎的鲍勃则呆在外面。 根据第二个假设，鲍勃不会看到任何不寻常的东西，因为他在黑洞的外面。第三个假设认为，爱丽丝也不会看到任何怪异的事情，因为她穿过了视界。这是因为视界并非是一个物理边界，它只是轻轻弯曲的普通时空中的一片普通真空区域罢了。 波尔钦斯基和他的同事调和全部三个假设的企图并没有成功——如果信息不丢失，那么火墙会仍然存在，而爱丽丝最终会被烧成灰烬。但这并没有阻止他们。“你一开始尝试去做某些事情，如果你失败了，你可以试着去证明它是不可能的，”波尔钦斯基说。 他们的同事马罗尔夫也加入进了新的尝试，他们的工作形成了一篇于2012年7月发表的论文，他们证明这些假设无法同时成立（arxiv.org/abs/1207.3123）。这引发了一场争论风暴；已经有40多篇论文在讨论这一工作，包括其中有一篇论文认为他们的答案忽略了引力。 如果霍金辐射确实如许多人所认为的把量子信息带出了黑洞，那么量子力学对此有几件事情需要说明。比方说，霍金辐射中的粒子A出现于黑洞的早期。量子理论认为粒子A会和之后出现的另一个霍金辐射粒子有着怪异的联系或者被称为纠缠。 现在，想象一个粒子B，粒子B产生的时间要远晚于A。粒子B是在视界上形成的粒子对中的一个，另一个粒子C已落入了黑洞。视界处的时空被认为没有什么特别的，只不过是柔和的引力和小的曲率。这使得在视界处形成的虚粒子可以彼此纠缠在一起。因此，B必定和C是纠缠在一起。但是，因为早先和后来的霍金辐射必定也会纠缠在一起，所以B和A也相互纠缠。 不幸的是，这会违反量子力学中另一条被珍爱的原则，被称为纠缠的专一性。简单地说，粒子B可以与A或C纠缠，但不能和两者都纠缠。 因此，这样个难题兜了一圈回到了原地。如果我们想从黑洞获取信息，A必须和B纠缠在一起。如果我们想让时空在视界处变得普通——可以让爱丽丝掉入黑洞而不被烧成灰烬——那么B必须和C纠缠在一起。有些东西不得不被割舍掉。它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，因为马尔达萨纳的工作是在保留量子力学原样的基础上最强的数学描述之一。更重要的是，量子力学是一个已经被极好地检验过的理论，即便是微小改变也会使它与的实验结果不一致。 另一种选择是质疑视界处真空的状态。如果视界两侧的粒子B和C彼此不纠缠，就可以避免破坏纠缠的专一性。但是，破坏这一纠缠会使得黑洞的视界处于动荡的热状态中，重新形成火墙。与毫无戏剧性地飘过的视界不同，爱丽丝将瞬间面对高达1032开的烈焰。 这令马罗尔夫感到沮丧。广义相对论认为，越过黑洞的视界应该是平静的。“火墙将会严重地违反广义相对论，”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。对此我觉得不好，因为我把自己视为是一个受过训练的相对论主义者。”
新思维 在发现其令人不快这一点上他并不孤单。“你正在非常平滑的时空中前行，突然，砰的一声！你撞上了这道火墙，被烧成了灰烬，”普雷希尔说，“这实在是太疯狂了。” 然而，如果黑洞能把信息转变成霍金辐射，那火墙是最好的解释。萨斯坎德对火墙仍持怀疑态度，但他说它们代表了奇点向视界的迁移，因为在传统的黑洞物理学中它们位于黑洞的中心。 即使火墙确实会形成，萨斯坎德对它们形成的时间并不认同。例如，对于一个半径与质子相当的黑洞，波尔钦斯基、马罗尔夫及其同事认为，火墙将会在黑洞形成后10-20秒形成，而在萨斯坎德的观点是它形成所需的时间和宇宙的年龄相当。 无论火墙何时形成，只要它们形成了，那么如我们所知的时空可能就会在视界处终止。“如果整个黑洞视界成为了这样一道切断其内部的火墙，那也许其内部根本就不存在，”马罗尔夫说，如果黑洞附近的时空具有某些特殊的地方，使得信息可以超光速传播，那这个悖论也能得到解决。尽管这会是对相对论的又一个打击，但它也许会是吉丁斯和马图尔曾经意识到的某样东西。 这一切的结果是，在霍金提出黑洞信息悖论近40年后，这个问题依然挥之不去。它使得物理学家们更深入地审视他们的理论。“我和20年前同样的困惑，”波尔钦斯基说。 普雷希尔说，这并不是一件坏事。“总有第4种可能性：以上皆不是，是我们没有想到的东西。无论它撼动下来的是什么，都将会是有趣的，“他说，“所有的选项都是疯狂的，这正是这一情况如此美妙之处。” |
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[New Scientist 2013年4月4日]
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