落入黑洞從來都不是一件有趣的事。物理學家一旦意識到黑洞的存在，我們就知道過於靠近黑洞意味著必死無疑。但我們過去認為，一位宇航員如果落過不歸點——所謂的事件視界——不會感到任何特別之處。根據愛因斯坦的廣義相對論，沒有任何跡象會標明逃離線會降至零的地點。任何穿過視界的人似乎都會一直往下墜落，墜入一片黑暗的深淵。
然而，最近，我和我的同事們根據關於量子力學對黑洞影響的一些新資訊，重新描繪了這幅圖景。現在看來，我們的宇航員的經歷將與阿爾伯特·愛因斯坦的預測截然不同。宇航員不會無縫地落入黑洞內部，而是在視界處遇到一道由高能粒子構成的“火牆”，這將是瞬間致命的。這道牆甚至可能標誌著空間的終結。
三年前，我們四人，當時都在加州大學聖巴巴拉分校——我的同事唐納德·馬洛夫，當時的 graduate students 艾哈邁德·阿爾姆海里和詹姆斯·薩利，以及我（現在以首字母縮寫詞 AMPS 聞名）——在使用弦理論的思想仔細研究黑洞物理學後，得出了這個結論，特別是斯蒂芬·霍金在 1970 年代提出的一個有趣的論點。霍金指出了量子理論和相對論在這些極端環境中的預測之間存在深刻的衝突。根據他的推理，要麼是量子力學，要麼是愛因斯坦對時空的描述存在缺陷。關於哪種觀點是正確的爭論一直在來回搖擺。
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與霍金最初的論斷一樣，我們最近的火牆提議也引起了軒然大波，並且尚未出現令人滿意的替代方案。如果要相信量子力學，火牆是必然的結果。然而，它們的存在也引發了理論上的難題。物理學家似乎必須放棄我們廣泛珍視的信念之一，但我們無法就放棄哪一個達成一致。然而，我們希望，從這種混亂中，將產生對量子力學和相對論更完整的理解——並且，理想情況下，找到最終解決物理學這兩大主流理論之間明顯矛盾的方法。
奇點
廣義相對論催生了黑洞的概念，它對這些神秘實體及其事件視界的描繪，源於對引力對空間和時間影響的理解。根據該理論，如果足夠多的質量聚集在一起，引力的拉力將導致它開始坍縮。沒有什麼可以阻止這個過程，直到所有質量都被壓縮到一個時空無限密集和無限彎曲的點，稱為奇點——換句話說，就是一個黑洞。
任何穿過黑洞事件視界邊界的太空旅行者都將無法逃脫引力，並將很快被吸入奇點。即使是光，一旦越過視界，也無法逃脫。奇點是一個非常引人注目的地方，但根據廣義相對論的等效原理，視界本身應該是平淡無奇的；自由落入黑洞的個體在穿越視界時，將看到與任何其他地方相同的物理定律。理論家們喜歡說，整個太陽系現在可能正在落入一個巨大的黑洞，而我們不會經歷任何異常的事情。
黑洞輻射
霍金對黑洞傳統圖景提出的挑戰始於 1974 年，當時他考慮了量子力學的一個奇怪預測。根據這個理論，成對的粒子和它們的反物質對應物不斷地突然出現，然後幾乎立即消失。霍金表明，如果這種漲落髮生在黑洞視界之外，這對粒子可能會分離。一個會落入奇點，另一個會從黑洞逃逸，並帶走它的一些質量。最終，黑洞的全部質量可能會透過這個過程耗盡，這個過程被稱為霍金蒸發。
對於自然界中發現的黑洞來說，蒸發並不重要：這些黑洞從氣體和塵埃的墜入中增加質量的速度，遠遠快於它們因輻射而損失質量的速度。但出於理論目的，我們可以研究如果一個黑洞完全孤立，並且我們有足夠的時間來觀察蒸發的整個過程會發生什麼。透過進行這樣的思想實驗，霍金揭示了廣義相對論和量子力學之間存在的兩個明顯的矛盾。
熵問題。
在思考孤立黑洞時，霍金注意到，從黑洞流出的同名輻射的光譜看起來與輻射熱體的光譜相同，這意味著黑洞具有溫度。一般來說，溫度是由物體內部原子的運動產生的。因此，霍金輻射的熱性質表明，黑洞應該具有由某種離散的構建塊或位元組成的微觀結構。物理學家雅各布·D·貝肯斯坦，現在在耶路撒冷希伯來大學，也早在兩年前透過進行將物體扔進黑洞的思想實驗得出了這個結論。貝肯斯坦和霍金的工作給出了位元數的公式，這是一種被稱為黑洞熵的度量。熵是無序程度的量度，隨著物體可以擁有的狀態數量的增加而增大。黑洞中的位元數越大，它們可能擁有的排列方式就越多，熵也就越大。
相比之下，廣義相對論將黑洞描述為具有平滑的幾何形狀，並指出給定質量、自旋和電荷的每個黑洞都應該完全相同：用已故普林斯頓大學物理學家約翰·惠勒的話說，“黑洞沒有毛髮。” 因此，這裡存在一個矛盾：相對論說沒有毛髮，而量子力學說黑洞具有大量的熵，這意味著某種微觀結構，或毛髮。
資訊悖論。
霍金蒸發也對量子理論提出了挑戰。根據霍金的計算，從黑洞逃逸的粒子根本不取決於進入黑洞的物質的性質——通常是一顆坍縮的巨星。例如，我們可以將一張帶有訊息的紙條送入黑洞，然後就沒有辦法從最終出現的粒子中重建訊息。一旦紙條穿過視界，它就無法影響後來出現的任何東西，因為沒有任何資訊可以從內部逃逸。在量子力學中，每個系統都由一個稱為波函式的公式描述，該公式編碼了系統處於任何特定狀態的可能性。
在霍金的思想實驗中，資訊的丟失意味著我們無法根據進入黑洞的質量的性質來預測霍金輻射的波函式。量子力學禁止資訊丟失，因此霍金得出結論，必須修改量子物理定律，以允許在黑洞中發生這種丟失。
您可能會對自己說，“當然，黑洞會摧毀資訊——它們摧毀進入其中的一切。” 但請比較一下如果我們只是燒燬紙條會發生什麼。訊息肯定會被打亂，並且從煙霧中重建訊息是不切實際的。但是燃燒的過程是由普通的量子力學描述的，應用於紙條中的原子，而煙霧的量子描述將是一個確定的波函式，它將取決於原始訊息。因此，從理論上講，可以透過波函式重建訊息。然而，在黑洞的情況下，對於由此產生的輻射，將沒有確定的波函式。
基於這個類比，許多理論家得出結論，霍金是錯誤的，他將資訊的攪亂誤認為是實際的資訊丟失。此外，一些人認為，如果資訊可以丟失，那麼它不僅會發生在黑洞蒸發的奇異情況下，而且會發生在任何地方和任何時候——在量子物理學中，任何可能發生的事情都會發生。如果霍金是對的，我們將在日常物理學中看到跡象，可能包括嚴重違反能量守恆定律。
然而，霍金的論點經得起簡單的反駁。與燃燒的紙張不同，黑洞具有視界，資訊無法逃脫視界。因此，我們似乎遇到了一個尖銳的悖論：要麼修改量子力學以允許資訊丟失，要麼修改相對論以允許資訊從黑洞內部逃逸。
還存在第三種可能性——黑洞不會完全蒸發，而是最終成為一個微小的殘餘物，其中包含創造它的原始恆星的所有資訊。然而，這個“解決方案”本身也存在困難。例如，這樣一個包含如此多資訊的小物體將違反貝肯斯坦-霍金熵的概念。
黑洞和膜
弦理論是試圖糾正相對論和量子力學發生衝突時出現的一些問題的一種嘗試，例如在黑洞的情況下。這個理論用微小的環或弦取代了先前理論中的點狀粒子；這些弦設法消除了量子力學和相對論結合時出現的一些數學難題。然而，用弦代替點並不能立即改變黑洞的故事。
1995 年，當我研究另一種思想實驗，研究小空間中的弦時，一個突破出現了。基於我和其他幾個人幾年前所做的工作，我表明，當時人們所理解的弦理論是不完整的。相反，它需要存在比我們熟悉的三維空間和一維時間維度更多的物體。在黑洞中，這些更高維度的物體，稱為 D 膜，將非常微小——包裹在太小而無法檢測到的隱藏維度中。第二年，安德魯·斯特羅明格和卡姆倫·瓦法，現在都在哈佛大學，表明弦和 D 膜共同提供了精確的位元數，以解釋黑洞熵，至少對於某些非常對稱的黑洞而言。熵之謎部分得到解決。
下一個問題是，資訊丟失怎麼辦？然後在 1997 年，胡安·馬爾達西那，現在在新澤西州普林斯頓高等研究院，提出了一種繞過資訊丟失問題的方法——一種有時被稱為馬爾達西那對偶性的解決方案。對偶性是兩種看起來非常不同的事物之間令人驚訝的等價性。馬爾達西那對偶性表明，基於弦理論的結合量子力學和引力的理論（引力的量子理論）的數學，等同於特殊情況下普通量子理論的數學。特別是，黑洞的量子物理學等同於普通熱核粒子氣體的量子物理學。這也意味著時空與我們感知到的根本不同，更像是一個從更基本的二維球體表面投射出來的三維全息圖。
利用馬爾達西那對偶性，物理學家還獲得了描述黑洞量子力學的方法。如果馬爾達西那的假設是正確的，那麼普通的量子定律也適用於引力，並且資訊不會丟失。透過一個不太直接的論點，蒸發的黑洞不能留下任何殘餘物，因此資訊一定是透過霍金輻射釋放出來的。
馬爾達西那對偶性可以說是我們最接近統一廣義相對論和量子力學的嘗試，馬爾達西那透過追查熵和資訊丟失的黑洞難題發現了它。它尚未被證明是正確的，但它得到了許多證據的支援——足以為證，以至於霍金在 2004 年宣佈，他已經改變了關於黑洞需要丟失資訊的想法，並在都柏林舉行的廣義相對論和引力國際會議上公開償還了與物理學家約翰·普雷斯基爾的賭注。
物理學家普遍認為，沒有任何一個觀察者會在遵守馬爾達西那規則的黑洞附近看到任何違反相對論或任何其他定律的情況，儘管他的對偶性未能清楚地解釋資訊是如何從黑洞內部傳到外部的。
大約 20 年前，斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德和荷蘭烏得勒支大學的傑拉德·特·胡夫特提出瞭解決原始資訊問題的一種方案，該方案涉及一種稱為黑洞互補性的相對論原理。本質上，該論點認為，跳入黑洞的觀察者會看到內部的資訊，而留在外部的觀察者會看到資訊流出。由於這兩個觀察者無法溝通，因此不存在矛盾。
火牆
馬爾達西那對偶性和黑洞互補性似乎消除了所有悖論，但許多細節尚未填補。三年前，我自己的 AMPS 合作團隊試圖建立一個模型，說明組合圖景將如何運作，該模型建立在俄亥俄州立大學的物理學家薩米爾·D·馬圖爾和加州大學聖巴巴拉分校的史蒂文·吉丁斯的思想之上（並且在我們不知情的情況下，擴充套件了英國約克大學的塞繆爾·布勞恩斯坦早期的論點）。在多次未能建立成功的模型後，我們意識到問題比我們的數學缺陷更深層次，並且仍然存在矛盾。
當考慮量子糾纏現象時，這種矛盾就會顯現出來——量子理論中最違反直覺的部分，也是最遠離我們經驗的部分。如果粒子像骰子一樣，那麼糾纏粒子將是兩個總是加起來為七的骰子：如果你擲骰子，第一個出現的是二，那麼第二個總是出現五，依此類推。同樣，當科學家測量一個糾纏粒子的特性時，該測量也決定了其夥伴的特徵。量子理論的進一步結果是，一個粒子只能與另一個粒子完全糾纏：如果粒子 B 與粒子 A 糾纏，那麼它就不能也與粒子 C 糾纏。糾纏是一夫一妻制的。
在黑洞的情況下，考慮一個霍金光子；稱之為“B”，在黑洞至少蒸發一半後發射。霍金過程意味著 B 是一個粒子對的一部分；稱其落入黑洞的夥伴為“A”。A 和 B 是糾纏的。此外，最初落入黑洞的資訊已被編碼到所有霍金輻射粒子中。現在，如果資訊沒有丟失，並且向外發射的霍金光子 B 最終處於確定的量子態，那麼 B 必須與已經逃逸的其他霍金粒子的一些組合“C”糾纏（否則，輸出將無法保留資訊）。但這樣我們就遇到了矛盾：多配偶制！
為了拯救量子力學，保持 B 和 C 之間的糾纏，並且在黑洞外部沒有任何異常情況，所付出的代價是 A 和 B 之間的糾纏的喪失。霍金光子 A 和 B 在它們作為短暫的粒子-反粒子對出現時，開始於視界的內部和外部。在量子理論中，打破這種糾纏的代價，就像打破化學鍵的代價一樣，是能量。打破所有霍金粒子對的糾纏意味著視界是一堵高能粒子牆，我們稱之為火牆。一個墜落的宇航員，不會自由地穿過視界，而是會遇到一些戲劇性的事情。
在一個不應該發生任何異常情況的地方發現如此大的偏離廣義相對論的情況——一道能量牆——令人不安，但論點很簡單，我們找不到任何缺陷。從某種意義上說，我們只是反向運行了霍金最初的論點，假設資訊沒有丟失，並看到了這個假設會帶來什麼。我們得出結論，與互補性的微妙影響相反，廣義相對論發生了劇烈的崩潰。當我們開始向其他人描述這個論點時，常見的反應首先是懷疑，然後是我們經歷過的同樣的困惑。
要麼這些奇怪的火牆確實存在，要麼看來我們必須再次考慮放棄量子理論的一些根深蒂固的信條。資訊可能不會被摧毀，但也許量子力學的一些改寫即將到來。不幸的是，觀察真實的黑洞不會決定這個問題——來自火牆的任何輻射都會因黑洞的引力而減弱，使得火牆非常難以看到。
空間的終結
此外，如果火牆存在，它是什麼？一種想法是，火牆只是空間的終結。也許時空形成的條件在黑洞內部不存在。正如馬洛夫曾經說過的那樣，也許內部無法形成，因為“黑洞的量子記憶已滿”。如果時空不能在內部發生，那麼空間會在視界處結束，而撞擊它的墜落宇航員會溶解成駐留在該邊界上的量子位元。
為了避免這種奇異的情況，物理學家試圖規避火牆結論。一種想法是，因為霍金輻射粒子 B 必須同時與 A 和 C 糾纏，那麼 A 必須是 C 的一部分：視界後的光子在某種程度上與編碼在早期霍金輻射中的位元相同，即使它們位於非常不同的位置。這個概念有點像黑洞互補性的最初想法，但要建立這個場景的具體模型，似乎最終又會修改量子力學。馬爾達西那和薩斯坎德提出的最激進的想法是，每一對糾纏粒子都由一個微觀時空蟲洞連線，因此時空的大區域，例如黑洞內部，可以由大量的糾纏構建而成。
霍金曾提出，廣義相對論適用於黑洞，但量子力學崩潰了。馬爾達西那得出的結論是，量子力學沒有被修改，但時空是全息的。也許真相介於兩者之間。
已經提出了許多其他想法，其中大多數都放棄了一項長期存在的原則或另一項原則，並且對於解決問題的正確方向沒有共識。一個常見的問題是，火牆對現實生活中的黑洞意味著什麼，例如我們銀河系中心的黑洞？現在說還為時過早。
目前，研究人員對我們發現了物理學兩大中心理論之間的新矛盾感到興奮。我們無法明確地說出火牆是否真實存在，這暴露了我們當前量子引力公式的侷限性，理論物理學家正在重新思考他們關於宇宙執行的基本假設。由此可能會產生對空間和時間的本質以及所有物理定律背後原理的更深入的理解。最終，透過解開黑洞火牆核心的難題，我們可能最終獲得統一量子力學和廣義相對論為一個單一的有效理論所需的突破。