愛麗絲和鮑勃是量子力學中各種思想實驗中深受喜愛的人物，他們正處於十字路口。冒險且相當魯莽的愛麗絲跳入一個非常大的黑洞，留下一個可能孤獨的鮑勃在視界之外——黑洞的無返回點，超過該點任何事物，甚至光都無法逃脫。
傳統上，物理學家假設如果黑洞足夠大，愛麗絲在穿過視界時不會注意到任何異常。在這種被形象地稱為“無戲劇性”的情況下，引力不會變得極端，直到她接近黑洞內部一個叫做奇點的點。在那裡，她腳上的引力將比頭上的引力強得多，愛麗絲會被“義大利麵化”。
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現在，一個新的假設給可憐的愛麗絲帶來了比她預想的更多的戲劇性。如果這種替代方案是正確的，那麼當毫無戒心的愛麗絲穿過視界時，她會遇到一堵巨大的火牆，當場將她焚燬。雖然這對愛麗絲來說似乎不公平，但這種情況也意味著理論物理學中至少有三個珍視的概念必須是錯誤的。
當愛麗絲的火熱命運在今年夏天被提出時，它引發了物理學家之間的激烈辯論，他們中的許多人對此持高度懷疑態度。“我最初的反應是，‘你一定是在開玩笑，’”加州大學伯克利分校的物理學家拉斐爾·布索承認道。他認為一個有力的反駁會很快出現並結束此事。相反，在經過一系列關於該主題的論文辯論之後，他和他的同事們意識到這具有成為一個強大的悖論的潛力。
“來自地獄的選單”
物理學中的悖論有一種闡明關鍵問題的方式。這個特殊謎題的核心在於許多物理學家所鍾愛的三個基本假設之間的衝突。第一個基於廣義相對論的等效原理，導致了“無戲劇性”的場景：因為愛麗絲在穿過視界時處於自由落體狀態，並且自由落體和慣性運動之間沒有區別，她不應該感受到極端的重力影響。第二個假設是么正性，該假設與量子力學的基本原則相一致，即落入黑洞的資訊不會不可挽回地丟失。最後，還有我們最好稱之為“正常性”的東西，即物理學在遠離黑洞的地方按預期工作，即使它在黑洞內的某個點——在奇點或在視界——崩潰。
這些概念共同構成了布索無奈地稱之為“來自地獄的選單”的東西。為了解決這個悖論，必須犧牲其中之一，沒有人能就應該犧牲哪一個達成一致。
物理學家不會輕易放棄歷史悠久的假設。這就是為什麼如此多的人覺得火牆的概念令人討厭。“這是可惡的，”加州理工學院的約翰·普雷斯基爾本月早些時候在斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德組織的非正式研討會上宣佈道。在兩天的時間裡，大約有50位物理學家進行了一場熱烈的頭腦風暴會議，丟擲了各種瘋狂的想法，試圖解決這個悖論，中間穿插著在黑板上快速書寫方程的啪啪啪的聲音。但是，儘管有集體焦慮，即使是防火牆最激烈的批評者也尚未找到令人滿意的難題解決方案。
根據加州大學聖巴巴拉分校的弦理論家約瑟夫·波欽斯基的說法，最簡單的解決方案是等效原理在視界處失效，從而產生防火牆。波欽斯基是引發這一切的論文的合著者，與艾哈邁德·阿爾米里、唐納德·馬羅夫和詹姆斯·蘇利一起——這個小組通常被稱為“AMPS”。即使是波欽斯基也認為這個想法有點瘋狂。一個防火牆是至少不那麼激進的潛在解決方案，這證明了問題的棘手程度。
如果防火牆論證中存在錯誤，那麼這個錯誤並不明顯。這是一個好的科學悖論的標誌。而且，它出現在理論家渴望新挑戰的時候：大型強子對撞機未能發現任何資料暗示標準模型之外的奇異物理學。“在沒有資料的情況下，理論家們在悖論中茁壯成長，”波欽斯基打趣道。
如果 AMPS 是錯誤的，根據薩斯坎德的說法，它會以一種非常有趣的方式錯誤，這將推動物理學向前發展，有望朝著一個強大的量子引力理論邁進。畢竟，黑洞對物理學家來說很有趣，因為廣義相對論和量子力學都可以應用，這與宇宙的其他部分不同，在宇宙的其他部分，物體在亞原子尺度上受量子力學支配，在宏觀尺度上受廣義相對論支配。這兩個“規則手冊”在它們各自的範圍內都執行良好，但物理學家們很樂意將它們結合起來，以揭示黑洞等異常現象，並由此揭示宇宙的起源。
一個糾纏的悖論
這些問題複雜而微妙——如果它們很簡單，就不會有悖論——但是 AMPS 論證的很大一部分取決於一夫一妻制量子糾纏的概念：您一次只能有一種糾纏。 AMPS 認為，為了使“來自地獄的選單”上的所有三個假設都成立，需要兩種不同的糾纏。由於量子力學的規則不允許您同時擁有兩種糾纏，因此必須犧牲這三個假設之一。
糾纏——阿爾伯特·愛因斯坦嘲笑為“遠距離的幽靈般的動作”——是量子力學的一個眾所周知的特徵（在思想實驗中，愛麗絲和鮑勃代表一對糾纏的粒子對）。當亞原子粒子碰撞時，它們可以變得無形地連線起來，即使它們在物理上是分離的。即使在遠處，它們也是不可分割地相互聯絡並像一個物體一樣行動。因此，有關一個夥伴的知識可以立即揭示有關另一個夥伴的知識。關鍵是您一次只能有一種糾纏。
在經典物理學中，正如普雷斯基爾在加州理工學院的量子前沿部落格上解釋的那樣，愛麗絲和鮑勃都可以擁有同一份報紙的副本，這使他們可以訪問相同的資訊。分享這種聯絡使他們“高度相關”。第三個人“凱莉”也可以購買該報紙的副本，這使她可以平等地訪問其中包含的資訊，從而與鮑勃建立關聯，而不會削弱他與愛麗絲的關聯。實際上，任何數量的人都可以購買同一份報紙的副本並彼此高度關聯。
有了量子關聯，鮑勃可以與愛麗絲或凱莉高度糾纏，但不能同時與兩者高度糾纏。
圖片：由約翰·普雷斯基爾提供
但是，對於量子關聯來說，情況並非如此。為了使鮑勃和愛麗絲最大限度地糾纏在一起，他們各自的報紙必須具有相同的方向，無論是正面朝上、倒立還是側向。只要方向相同，愛麗絲和鮑勃就可以訪問相同的資訊。“因為只有一種閱讀經典報紙的方法，而有很多方法可以閱讀量子報紙，所以量子關聯比經典關聯更強，”普雷斯基爾說。這使得鮑勃不可能像與愛麗絲一樣與凱莉高度糾纏，而又不犧牲他與愛麗絲的一些糾纏。
這是有問題的，因為黑洞存在多種糾纏，並且在 AMPS 假設下，這兩種糾纏會發生衝突。在墜落的觀察者愛麗絲和外部觀察者鮑勃之間存在糾纏，這對於保持“無戲劇性”是必要的。但是，還有第二個糾纏來自物理學中的另一個著名悖論，該悖論與資訊是否在黑洞中丟失的問題有關。在 20 世紀 70 年代，斯蒂芬·霍金意識到黑洞並非完全是黑色的。雖然愛麗絲在穿過視界時可能看起來沒有什麼不對勁，但從鮑勃的角度來看，視界看起來會像一塊煤一樣發光——這種現象現在被稱為霍金輻射。
“無戲劇性”場景中粒子的糾纏：視界之外的鮑勃（虛線）與視界內（b 點）的愛麗絲糾纏在一起。隨著時間的推移，愛麗絲 (b') 漂移向奇點（波浪線），而鮑勃 (b") 仍然在黑洞之外。
圖片：由約瑟夫·波欽斯基提供
這種輻射是由靠近黑洞的量子真空中湧現出的虛粒子對產生的。通常它們會碰撞並湮滅成能量，但有時其中一對會被吸入黑洞，而另一對則會逃到外面的世界。黑洞的質量必須略微減少以抵消這種影響並確保能量仍然守恆，因此會逐漸消失。它蒸發的速度取決於黑洞的大小：越大，蒸發的速度就越慢。
霍金假設一旦輻射完全蒸發，那麼該輻射中所包含的有關黑洞內容的任何資訊都將丟失。“上帝不僅擲骰子，而且他還常常把骰子扔到我們看不見的地方來迷惑我們，”他曾著名地宣稱。他和加州理工學院的物理學家基普·索恩甚至在 20 世紀 90 年代與持懷疑態度的普雷斯基爾就資訊是否在黑洞中丟失進行了打賭。普雷斯基爾堅持認為資訊必須守恆；霍金和索恩認為資訊會丟失。物理學家最終意識到，有可能以犧牲一些代價來儲存資訊：隨著黑洞蒸發，霍金輻射必須與視界外部區域越來越糾纏。因此，當鮑勃觀察到該輻射時，他可以提取資訊。
但是，如果鮑勃在愛麗絲穿過視界後將他的資訊與愛麗絲的資訊進行比較會發生什麼？“那將是災難性的，”布索解釋說，“因為外部觀察者鮑勃在霍金輻射中看到了相同的資訊，如果他們可以談論它，那將是量子影印，這在量子力學中是被嚴格禁止的。”
在薩斯坎德的帶領下，物理學家宣佈，只要愛麗絲和鮑勃不可能共享他們各自的資訊，那麼這兩種關於黑洞的觀點之間的差異是可以接受的。這種稱為互補性的概念只是認為沒有直接矛盾，因為沒有一個觀察者可以同時位於視界內部和外部。如果愛麗絲穿過視界，看到該半徑內的恆星並想告訴鮑勃，廣義相對論有辦法阻止她這樣做。
霍金輻射是視界附近湧現出的虛粒子對的結果，其中一個夥伴落入，另一個夥伴逃逸。黑洞的質量因此減少並以輻射的形式發射出來。
圖片：由約瑟夫·波欽斯基提供
薩斯坎德的論點，即資訊可以在不借助量子影印的情況下被恢復，足以令人信服，以至於霍金在2004年承認了他與普雷斯基爾的賭注，並向後者贈送了一本棒球百科全書，他說，從這本書中“可以隨意檢索資訊”。但也許索恩，他拒絕認輸，堅持己見是對的。
布索認為互補性會再次發揮作用，以解決火牆悖論。但他很快意識到這是不夠的。互補性是一個為解決特定問題而發展的理論概念，即調和事件視界內外觀察者的兩種觀點。但火牆恰好在事件視界之外一點點，這使得愛麗絲和鮑勃擁有相同的視角，因此互補性無法解決這個悖論。
邁向量子引力
如果他們希望消除火牆並保留“無戲劇性”，物理學家需要找到一個針對這種獨特情況的新理論見解，或者承認也許霍金一直是對的，資訊確實丟失了，這意味著普雷斯基爾可能不得不退回他的百科全書。因此，令人驚訝的是，普雷斯基爾竟然建議他在斯坦福研討會上的同事們至少重新考慮資訊丟失的可能性。儘管我們不知道如何在不違反么正性的情況下理解量子力學，“但這並不意味著不能做到，”他說。“照照鏡子，問問自己：我會用我的生命來賭么正性嗎？”
波爾欽斯基令人信服地認為，你需要愛麗絲和鮑勃糾纏在一起才能保持“無戲劇性”，你需要霍金輻射與事件視界外的區域糾纏在一起才能守恆量子資訊。但你不能同時擁有兩者。如果你犧牲了霍金輻射與事件視界外區域的糾纏，你就會丟失資訊。如果你犧牲了愛麗絲和鮑勃的糾纏，你就會得到一個火牆。
波爾欽斯基說：“量子力學不允許兩者都存在。如果你失去了墜入（愛麗絲）和發出（鮑勃）的觀察者之間的糾纏，這意味著你在視界的量子態中放入了一種尖銳的扭結。在某種意義上，你打破了一個紐帶，而這個被打破的紐帶需要能量。這告訴我們火牆必須存在。”
這個後果源於這樣一個事實：事件視界外的區域和霍金輻射之間的糾纏必須隨著黑洞的蒸發而增加。當大約一半的質量輻射出去時，黑洞就會達到最大糾纏，並且基本上經歷了一次中年危機。普雷斯基爾解釋說：“就好像我們期望在黑洞深處發現的奇點，在黑洞衰老時已經爬到了事件視界。”而奇點和事件視界之間的這種碰撞的結果就是可怕的火牆。
在斯坦福研討會期間，至少有一次，關於奇點從黑洞深處遷移到事件視界的心理影像引發了一次惱怒的爆發，布索認為這種反應是可以理解的。“我們應該感到沮喪，”他說。“這對廣義相對論來說是一個可怕的打擊。”
然而，儘管他對火牆持懷疑態度，但他很高興能參與這場辯論。“這可能是我進入物理學以來發生的最令人興奮的事情，”他說。“這絕對是我遇到的最棒的悖論，我很興奮能研究它。”
愛麗絲被火牆燒死的命運似乎註定要加入物理學中經典思想實驗的行列。物理學家對量子引力瞭解得越多，它就越與我們目前對宇宙如何運作的認識不同，迫使他們在科學進步的神壇上犧牲一個又一個珍視的信念。現在，他們必須選擇犧牲么正性或“無戲劇性”，或者對量子場論進行根本性的修改。或者，也許這一切都只是一個可怕的錯誤。無論如何，物理學家都一定會學到新的東西。
經西蒙斯科學新聞許可轉載，該新聞是西蒙斯基金會的一個編輯獨立的部門，其使命是透過報道數學以及計算科學、物理科學和生命科學的研究發展和趨勢，增進公眾對科學的理解。