信息悖論——掉進(jìn)黑洞的物質(zhì)會被擠壓到黑洞那無限致密的核心去，但它所攜帶的信息會怎樣呢？以下有兩種情景的解釋：信息消失（左）：當(dāng)黑洞蒸發(fā)后，它所攜帶的所有信息會隨之消失。根據(jù)量子效應(yīng)，真空中充滿了粒子—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(xiàn)后瞬間即湮滅，但如果這對粒子和反粒子是出現(xiàn)在黑洞的事件視界，其中一個就會掉進(jìn)黑洞，而另一個會以霍金輻射的形式向外發(fā)出?！坝鲭y”粒子以負(fù)能量被吸入，黑洞由此而損失質(zhì)量，如果沒有普通物質(zhì)落進(jìn)去，黑洞最終將蒸發(fā)殆盡。黑洞中心是一個無限小且無限致密的奇點，卻并不包含形成黑洞的物質(zhì)信息?；饓Γㄓ遥簭暮诙摧椛涑鰜淼乃辛Ｗ又g具有量子相關(guān)性，這些相關(guān)粒子攜帶著信息。輻射出的粒子與落入黑洞的粒子之間要打破關(guān)聯(lián)性，會釋放出巨大能量而在黑洞周圍形成一圈火墻。即使黑洞蒸發(fā)完之后，由于兩個粒子之間的關(guān)聯(lián)性，“逃逸”粒子也包含了“落難”粒子的所有信息。

掉進(jìn)黑洞的宇航員會被扯成碎片還是被燒焦？這一問題從2012年夏天起就成了理論物理學(xué)界的爭論焦點，圍繞相關(guān)主題發(fā)表的文章超過了40篇，至今沒有結(jié)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·普金斯基開始思考“自殺”的問題——以數(shù)學(xué)形式進(jìn)行的思想實驗：如果一個宇航員掉進(jìn)黑洞會發(fā)生什么情況？很顯然他會死，但究竟怎么個死法呢？

按照當(dāng)時公認(rèn)的理論，最初他不會感到有任何特別，即使在他落到黑洞的事件視界時。事件視界是一個看不見的界限，在界限以內(nèi)沒有任何東西能逃離黑洞的吸引。但最終，幾小時、幾天或幾個星期后，如果黑洞足夠大，他會開始覺察到拉著他腳的重力比拉著他頭的重力更強(qiáng)大，這種吸引力拖著他無情地向下落，重力差會迅速加大而將他撕裂，最終他的遺體會被扯得粉碎而落入黑洞那無限致密核心。

普金斯基和他的兩個學(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(jù)他們的計算，卻呈現(xiàn)出完全不同的另一番場景：量子效應(yīng)會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(jié)果，震動了整個物理學(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，在任何一個時空點上都可以選取適當(dāng)?shù)膮⒖枷?，使物質(zhì)的運動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)萬有引力場——即便是像黑洞那么強(qiáng)大的引力場時，他所看到的實際景象和飄在太空的觀察者所看到的是一樣的。等效原理最早在一個世紀(jì)前由阿爾伯特·愛因斯坦清晰地提出，并作為他《廣義相對論》的基礎(chǔ)。如果等效原理不成立，愛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(dǎo)致的后果，所以還提出了另一種備選結(jié)局：沒有形成火墻。但這種解釋的代價同樣巨大，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(jié)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，但還沒有一篇論文能解釋得讓所有人都滿意。面對這種狀況，圣芭芭拉分校的量子物理學(xué)家斯蒂芬·吉丁斯說這是“一場物理學(xué)基礎(chǔ)的危機(jī)，需要一次革命才能解決問題?！?/p>

上個月，物理學(xué)界研究黑洞的專家們齊聚在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲粒子物理研究所（CERN）召開會議，面對面地討論了這一問題，希望能打開一條通向“量子引力”統(tǒng)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)家們幾十年來未曾有過的榮耀。

火墻的想法“動搖了大部分人所相信的黑洞理論的基礎(chǔ)”，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校弦理論學(xué)家拉斐爾·布索在會議上說，“從根本上說，它把量子力學(xué)放在了廣義相對論的敵對面，卻沒給我們留下任何線索：下一步該朝哪個方向走？”

普利什基爾與霍金的“賭局”

說到“火墻危機(jī)”的根源，還要追溯到1974年。當(dāng)時英國劍橋大學(xué)的物理學(xué)家斯蒂芬·霍金證明，量子效應(yīng)會使黑洞在達(dá)到一定溫度后變得孤立，然后黑洞會緩慢地發(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注意到這種輻射，這是它與相對論所描述場景之間的細(xì)微差別。但霍金的結(jié)果依然令人震驚，因為按照廣義相對論方程的描述，黑洞只會吞噬質(zhì)量而增長，并不會蒸發(fā)。

基本上，霍金的爭論進(jìn)入到了對量子領(lǐng)域的觀察，“空”間并非是真空，在亞微觀的尺度上，它處于一種持續(xù)不斷的動蕩漲落狀態(tài)：成對的粒子和反粒子不斷出現(xiàn)又迅速湮滅。只有在非常精微的實驗中，才能觀察到這種亞顯微程度的混亂?；艚鹨庾R到，當(dāng)一對粒子—反粒子出現(xiàn)在黑洞的事件視界時，其中一個會落入黑洞，使它們不能再結(jié)合湮滅，幸存的那個粒子會以輻射形式向外發(fā)出，為平衡向外發(fā)出粒子的正能量，被吸入的粒子會以負(fù)能量進(jìn)入——這是量子法則所允許的，負(fù)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)過提煉并由許多研究人員加以擴(kuò)展，其結(jié)論現(xiàn)在已被廣為接受。但這也帶來了令人不安的現(xiàn)實，黑洞輻射對量子力學(xué)理論提出了質(zhì)疑。

量子力學(xué)認(rèn)為信息不會消滅。從理論上說，通過檢測從黑洞發(fā)出輻射的量子態(tài)，就可能獲得掉進(jìn)去的那個粒子的一切信息。但霍金指出事情沒那么簡單：發(fā)出輻射是隨機(jī)的。擲一公斤的石頭或一公斤計算機(jī)芯片結(jié)果都一樣，看著黑洞直到它死亡，也沒辦法知道它是怎么形成的或有什么東西落到了上面。

這稱為黑洞信息悖論。對這一問題，物理學(xué)家們分成兩個陣營：一派以霍金為代表，認(rèn)為在黑洞死亡時信息真的會消失，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間，我很認(rèn)真地試圖重新構(gòu)建一個包含信息損失的替代理論?！?普利什基爾說，“但我找不到任何有意義的東西，沒人能找到?！?/p>

這一僵局持續(xù)了二十年，直到1997年才有答案，這個答案現(xiàn)已眾所周知——當(dāng)時普利什基爾與霍金公開打賭而獲勝，他認(rèn)為信息不會丟失，因此從霍金那里贏了一本棒球百科全書。但在當(dāng)年，打破這一僵局全靠哈佛大學(xué)物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)西那的發(fā)現(xiàn)。

馬爾達(dá)西那的發(fā)現(xiàn)建立在一個更早期觀點上，即宇宙中的任何三維區(qū)域都可以用二維邊界上的信息編碼描述出來，這和激光以二維全息圖的方式給三維景象編碼非常類似。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：“我們用‘全息’這個詞作為一種隱喻。但經(jīng)過更多數(shù)學(xué)推衍后，它似乎擁有了更實際的意義：宇宙是信息在邊界上的投影?！?/p>

馬爾達(dá)西那提出的是一個關(guān)于全息理論的具體的數(shù)學(xué)方程，同時借鑒了超弦理論的觀點，假設(shè)基本粒子是由極微小的能量環(huán)振動而形成。他的模型描述了一個只受萬有引力統(tǒng)治的、包含了弦和黑洞的三維宇宙，經(jīng)由一個二維面反射，其中的元素粒子和場域遵循普遍量子法則而無需萬有引力。住在此三維空間的居民永遠(yuǎn)也看不到這個界面，因為它在無限遙遠(yuǎn)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(dá)出來，反過來也一樣?！拔野l(fā)現(xiàn)了一個數(shù)學(xué)詞典，能讓你在這兩個世界的‘語言’之間來回轉(zhuǎn)變?！?馬爾達(dá)西那解釋說。

這意味著，即使是一個三維黑洞的蒸發(fā)，也能用二維世界的語言來描述，在這里沒有萬有引力，只以量子法則為最高準(zhǔn)則，這里的信息也永遠(yuǎn)不會丟失。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(gòu)建的?！斑@一結(jié)合了馬爾達(dá)西那和馬洛夫的研究，讓我有了轉(zhuǎn)變?！瘪R里蘭大學(xué)量子物理學(xué)家泰德·雅各布說，他長期以來一直堅持信息損失論。2004年，霍金公開承認(rèn)了他的錯誤，輸給普利什基爾一本厚厚的棒球百科全書，結(jié)束了物理學(xué)界這場著名的賭約。

這就是馬爾達(dá)西那發(fā)現(xiàn)的意義：讓大部分物理學(xué)家認(rèn)為悖論已經(jīng)解開，雖然還沒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(shè)會有一個明確的答案?！逼战鹚够f。

但事實并非如此。2012年初，當(dāng)普金斯基和研究小組著手去厘清這模糊的一端時，他們很快碰到了另一個矛盾，這個矛盾讓他們導(dǎo)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(jī)的，所以粒子不可能攜帶任何有用的信息。但到了上世紀(jì)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，即對其中一個進(jìn)行測量將立即影響另一個而不管它們之間相隔多遠(yuǎn)，那么輻射量子態(tài)中的信息就能以一個整體的形式被編碼。

但實際情況又是怎樣的呢？對一個將被發(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)中有一個嚴(yán)格的事實叫做“糾纏一對一”，即一個量子系統(tǒng)不可能同時與兩個獨立系統(tǒng)完全糾纏。

為了躲開這一悖論，普金斯基與論文合著者們意識到，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，但這是有代價的?！斑@是一個狂暴的過程，就像打破分子鍵一樣要釋放出能量?！逼战鹚够f，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€大火圈，燒掉任何掉進(jìn)去的東西?！钡欠催^來，又違反了等效原則以及它所認(rèn)定的自由落體所感到的情景應(yīng)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丟失，量子力學(xué)是錯的。馬洛夫說：“對我們來說，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物理學(xué)界。雅各布森說：“把放棄愛因斯坦的等效性原則作為最佳選擇，這簡直是難以容忍的?！辈妓饕餐?，還補(bǔ)充說：“火墻憑空出現(xiàn)在太空中，這可能性并不比一堵磚墻憑空出現(xiàn)撞到人們臉上的可能性更大?！比绻麗垡蛩固沟睦碚撛谑录暯绮贿m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(rèn)，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?yīng)是他們弄錯了，”薩斯坎德說，他還發(fā)表了一篇論文作為反駁，但經(jīng)過深入思考后他很快又收回了這些言論?！拔业牡诙磻?yīng)是他們是對的，第三反應(yīng)是他們還是錯的，第四反應(yīng)是他們又對了?！彼χf，“這讓我得了一個諢名叫‘悠悠’（the yo-yo），但大部分物理學(xué)家的反應(yīng)跟我也差不多?！?/p>

從那以后，在arXiv上討論這個主題的文章超過了40篇，但迄今為止，還沒人能在邏輯上找出他們有任何缺陷?！斑@真是一場美好的爭論，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，他是霍金在上世紀(jì)70年代期間的合作伙伴，現(xiàn)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(jù)薩斯坎德說，大家最看好的一個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(jī)科學(xué)家帕得里克·海登共同提出的。他們的考慮是，如果那個宇航員真去測量的話，他能不能覺察到矛盾的存在。為了做到這一點，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。“并沒有基本法則來阻止宇航員不能測量矛盾，”哈洛說，“但實際上，這是不可能的?！?/p>

而吉丁斯認(rèn)為，火墻悖論需要一個根本性的解決方案。根據(jù)他的計算，如果是逃逸粒子離開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大大減少，并不會產(chǎn)生火焰墻。雖然這保護(hù)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議上，與會者都對吉丁斯的模型實驗大感興趣：該模型預(yù)測，當(dāng)兩個黑洞合并時，它們可能會在時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險：黑洞會有信息損失，在多年前那次打賭中霍金是對的，但卻不幸過早地認(rèn)輸。事到如今形勢又反了過來，在去年底斯坦福大學(xué)召開的關(guān)于黑洞火墻的專題討論會上，正是跟霍金打賭的普利什基爾拋出了這一反面方案。不過反響甚微?！傲钊梭@訝的是，人們并沒有認(rèn)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，盡管他本人補(bǔ)充了這一點，但在直覺上他仍認(rèn)為信息是無損的。

物理學(xué)家們不愿把霍金以前的賭約拿來舊事重提，這也是一個跡象，表面了人們對馬爾達(dá)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損失?！斑@是迄今為止對萬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，他比較了馬爾達(dá)西那的結(jié)果和19世紀(jì)的單一理論發(fā)現(xiàn)，如與光、電、磁有關(guān)的理論?！叭绻饓χ疇幇l(fā)生在上個世紀(jì)90年代初，我想可能會引發(fā)激烈的關(guān)于信息會不會損失的論辯，”布索說，“但是現(xiàn)在，沒人想證明‘馬爾達(dá)西那是錯的’?！?/p>

這讓馬爾達(dá)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因斯坦，他覺得這有點不可能?！盀榱送耆斫饣饓︺Ｕ?，我們可能還得充實一下詞典，但卻不必把它扔掉了?！?/p>

迄今為止，唯一達(dá)成一致的是這一問題不會很快平息。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(xì)考慮著他看到的其中的缺陷，最后得出結(jié)論說：“我很抱歉沒人能推翻火墻，但是請繼續(xù)努力?！保ㄓ浾?常麗君 綜合外電）