逃離黑洞

人類在2019年4月10日首次瞥見了黑洞。事件視界望遠鏡（EHT）團隊利用一個地球範圍內的射電天文臺網路協同工作，分享了他們捕捉到的一個明顯的黑洞影像，該黑洞位於附近的M87星系中心，質量是我們太陽的65億倍。這是一項令人歎為觀止的成就——我們首次看到了宇宙中最神秘的物體之一，它長期以來被預測存在，但從未被直接“看到”。更令人興奮的是，這些影像以及隨後的觀測開始為物理學中最深刻的謎題之一提供新的線索。

這個謎團是關於資訊在黑洞中會發生什麼的“悖論”。透過調查這個問題，物理學家們發現，僅僅是黑洞的存在就與量子力學定律不一致，而量子力學定律迄今為止描述了我們宇宙中的其他一切。解決這種不一致性可能需要一場概念革命，其深刻程度堪比量子力學對經典物理學的推翻。

理論家們已經探索了許多想法，但幾乎沒有直接證據來幫助解決這個問題。然而，黑洞的第一張影像開始提供實際資料來為我們的理論提供資訊。未來的EHT觀測——特別是那些能夠顯示黑洞如何隨時間演化的觀測——以及引力波天文臺最近探測到的黑洞碰撞，可能會提供重要的見解，並有助於迎來物理學的一個全新時代。

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資訊問題

儘管黑洞深不可測，但它們似乎在宇宙中無處不在。EHT的觀測和引力波測量只是最新且最可靠的證據，表明黑洞儘管聽起來很奇幻，但確實似乎是真實存在的——而且非常普遍。然而，它們的存在本身就威脅著當前物理學的基礎。量子力學的基本原理被認為支配著所有其他的自然規律，但當它們應用於黑洞時，就會導致矛盾，暴露出這些定律當前形式的缺陷。

問題源於我們可以提出的關於黑洞的最簡單的問題之一：落入黑洞的東西會發生什麼？我們需要在這裡稍作細化才能充分解釋。首先，根據我們當前的量子力學定律，物質和能量可以在不同的形式之間轉換：例如，粒子可以變成不同種類的粒子。但唯一神聖且永不被摧毀的東西是量子資訊。如果我們知道一個系統的完整量子描述，我們應該始終能夠準確地確定其早期或後期的量子描述，而不會丟失資訊。因此，更精確的問題是，落入黑洞的量子資訊會發生什麼？

我們對黑洞的理解來自阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，該理論將引力描述為由空間和時間的彎曲產生的；對此想法的一個常見視覺化是一個重球使蹦床表面變形。時空的這種扭曲導致大質量物體和光的軌跡彎曲，我們稱之為引力。如果質量足夠集中在一個足夠小的區域內，附近的時空變形就會非常強烈，以至於光本身也無法逃脫我們稱之為事件視界內的區域：我們就得到了一個黑洞。如果沒有任何東西可以比光速更快地傳播——包括資訊——那麼一切都必須被困在這個邊界內。黑洞變成了宇宙陷阱，將資訊與光和物質一起捕獲。

但故事變得更加奇怪。斯蒂芬·霍金最偉大的發現可能是他在1974年預測黑洞會蒸發。這一發現也導致了一個驚人的想法，即黑洞會摧毀量子資訊。根據量子力學，成對的“虛粒子”隨時隨地都會憑空出現。通常，這樣一對粒子，由一個粒子和它的反物質對應物組成，會迅速湮滅自身，但如果它在黑洞的視界附近形成，一個粒子可能會在邊界內彈出，另一個粒子在邊界外彈出。外面的粒子可以逃逸，帶走能量。能量守恆定律告訴我們，黑洞因此失去了能量，因此，這種粒子的發射會導致黑洞隨著時間的推移而縮小，直到它完全消失。問題是，逃逸的粒子，即所謂的霍金輻射，基本上不攜帶任何關於什麼東西落入黑洞的資訊。因此，霍金的計算似乎表明，落入黑洞的量子資訊最終會被摧毀——這與量子力學相矛盾。

這一啟示引發了物理學中的一場深刻危機。偉大的進步來自於之前這樣的危機。例如，在20世紀初，經典物理學似乎預測原子不可避免地不穩定，這顯然與穩定物質的存在相矛盾。這個問題在量子革命中起到了關鍵作用。經典物理學暗示，由於原子內的軌道電子不斷改變方向，它們會不斷髮出光，導致它們失去能量並螺旋式地進入原子核。但在1913年，尼爾斯·玻爾提出，電子實際上只在量子化的軌道內運動，而不會螺旋式地進入原子核。這個激進的想法有助於建立量子力學的基礎，量子力學從根本上改寫了自然規律。越來越明顯的是，黑洞危機也將類似地導致物理學的另一次正規化轉變。

量子替代方案

當霍金首次預測黑洞蒸發時，他認為量子力學一定是錯誤的，資訊破壞是被允許的。然而，物理學家很快意識到，這種改變將需要能量守恆定律的徹底崩潰，這將災難性地否定我們目前對宇宙的描述。顯然，必須在其他地方尋求解決方案。

另一個早期的想法是，黑洞不會完全蒸發，而是在微小的尺寸處停止收縮，留下包含原始資訊的微小殘餘物。但是，科學家們意識到，如果這是真的，量子物理學的基本性質將預測災難性的不穩定性，導致普通物質爆炸成這樣的殘餘物，這也與日常經驗相矛盾。

顯然，有些地方非常錯誤。人們很容易得出結論，缺陷在於霍金最初的分析，並且資訊以某種方式確實逃脫了發射霍金輻射的黑洞。這裡的挑戰是，這種情況會與現代物理學的一個基本概念——局域性原理相沖突，局域性原理指出，資訊不能超光速地從一個地方移動到另一個地方。但是，根據我們對黑洞的定義，逃脫黑洞的唯一方法是比光速更快地移動，因此，如果資訊確實逃脫了，它一定是超光速地逃脫的，這與局域性相沖突。自從霍金髮現以來的四十年裡，物理學家們一直試圖在傳統物理學範圍內找到這個論點的漏洞，但沒有找到。

最接近的嘗試是霍金、馬爾科姆·佩裡和安德魯·斯特羅明格在2016年提出的一個方案，他們認為，最初分析中的一個錯誤意味著資訊永遠不會完全進入黑洞，而是在黑洞外部以他們所謂的“軟毛”的形式留下一種印記。然而，更仔細的檢查似乎正在關閉這個漏洞，大多數專家不相信這會是答案。簡而言之，似乎需要採取更激進的步驟。

一個明顯的想法是，存在一些未知的物理學阻止了真正的黑洞完全存在。黑洞形成的傳統圖景是，當非常大的恆星燃盡死亡時，它們的質量在引力的作用下坍縮成黑洞。但是，如果它們永遠達不到那個階段，而是轉變成行為“更好”的物體呢？事實上，我們知道，當像我們太陽這樣的低質量恆星燃盡並坍縮時，它們不會形成黑洞，而是形成緻密的殘餘物——例如，白矮星或中子星。也許一些未知的物理定律也阻止了更大的恆星形成黑洞，而是導致它們變成某種“大質量殘餘物”——更像中子星而不是黑洞。

這個建議的問題是，我們無法解釋是什麼穩定了這些物體——沒有已知的物理學應該阻止它們在引力作用下繼續坍縮，而任何想象中可以阻止坍縮的物理學顯然都需要超光速訊號從坍縮物質的一側傳遞到另一側。事實上，傳統的巨大黑洞可以由非常低密度的物質形成。為了說明這一點，如果M87星系中65億太陽質量的黑洞是由塵埃雲坍縮形成的（這在理論上是可能的，儘管實際過程顯然更為複雜），那麼當塵埃達到珠穆朗瑪峰頂空氣的密度時，它就會發生。（珠穆朗瑪峰頂的空氣不會形成黑洞，因為它的量不夠；需要積累65億個太陽質量。）一些劇烈的和超光速的新物理過程需要在如此低的密度範圍內接管，以立即將坍縮的雲變成一個巨大的殘餘物，而不是允許黑洞形成。

一個相關的想法是，在黑洞形成後但在蒸發之前很久，某種東西可能會導致黑洞變成包含原始資訊的大質量殘餘物。但再一次，這個故事需要從初始黑洞的內部到最終殘餘物的非定域資訊傳遞。

儘管存在問題，物理學家們還是探索了這兩種情景的版本。例如，在2003年，薩米爾·馬圖爾提出了一個基於弦理論的方案，該理論假設基本粒子是微小的弦。他的想法是，黑洞會轉變成一個“模糊球”，一種大質量殘餘物，或者模糊球首先形成而不是黑洞。由於弦理論的複雜物理學及其對傳統四維時空以外的維度的允許，模糊球可能具有複雜的高維幾何形狀；與黑洞在事件視界的尖銳傳統邊界不同，模糊球將具有更模糊和更大的邊界，在那裡會遇到弦和高維幾何形狀。

或者，一個更近期的殘餘物情景是，提出形成一個帶有高能粒子“防火牆”表面的大質量殘餘物，而不是帶有事件視界的黑洞，防火牆表面位於視界所在的位置。這個防火牆會焚燒任何遇到的東西，將其變成新增到防火牆的純能量。然而，防火牆和模糊球都存在需要違反局域性的問題，並且由此產生的物體將具有其他非常難以解釋的特性。

修改局域性

大質量殘餘物方案中的一個共同點是，拯救量子力學似乎需要違反局域性原理。但是，粗心大意地這樣做預計會像修改量子力學一樣具有災難性，事實上，通常會導致另一個悖論。具體而言，相對論定律表明，如果你在空曠、平坦的空間中傳送超光速訊號，以足夠高的速度經過你的觀察者會看到訊號在時間上倒退。悖論產生的原因是，這種超光速訊號然後允許你向你的過去傳送訊息，例如，要求某人在你母親出生之前殺死你的祖母。

即使這種答案似乎與基本物理原理相矛盾，也值得更仔細地研究一下。修改局域性似乎很瘋狂，但我們還沒有找到不修改局域性的替代方案。黑洞危機的嚴重性質強烈暗示，可以透過某種微妙地違反局域性原理來解決問題，這種違反不會產生這樣的悖論。換句話說，量子力學暗示資訊永遠不會被摧毀，因此，落入黑洞的資訊必須最終逃脫，可能是透過某種新的、微妙的“非定域化”的資訊，當我們最終找到統一量子力學和引力的方法時，這種非定域化可能會變得清晰起來——這是當今物理學最深刻的問題之一。事實上，我們還有其他理由認為可能存在這種微妙之處。在包含引力的理論中，區域性資訊的概念——它可以存在於一個地方而不存在於另一個地方——比在不包含引力的理論中更微妙，因為引力場延伸到無窮遠，使局域化的概念複雜化。

如果資訊確實從黑洞中逃脫，它可能不需要像形成大質量殘餘物那樣明顯和突然的改變，無論是模糊球、防火牆還是其他變體。越來越多的證據表明，宇宙中存在一些看起來和行為都很像經典黑洞的物體，而沒有嚴重偏離愛因斯坦的預測。愛因斯坦的廣義相對論對其黑洞的描述是如此徹底的錯誤嗎？或者，是否可能存在一些更無害的、目前未知的效應，這些效應使資訊非定域化並允許資訊從黑洞中洩漏出來，從而避免整個時空圖景的如此戲劇性的失敗？

在我的理論工作中，我發現了兩種這樣的效應版本。在其中一種版本中，黑洞附近的時空幾何形狀發生了改變，使其彎曲和波動，其方式取決於黑洞中的資訊——但很溫和，因此它不會，例如，摧毀一個落入通常會發現視界的區域的宇航員。在這種“強而溫和”的情景中，時空的這種閃爍可以將資訊傳遞出去。有趣的是，我還發現，資訊以一種更微妙的、本質上是量子的方式逃脫黑洞。在這種“弱而溫和”的情景中，即使是黑洞附近時空幾何形狀的微小量子漲落也可以將資訊傳遞給從黑洞發出的粒子。資訊傳遞仍然足夠大以拯救量子力學這一事實與黑洞可以包含的巨大資訊量有關。在任何一種圖景中，黑洞實際上都具有圍繞它的“量子光暈”，在量子光暈中，相互作用將資訊傳遞迴其周圍環境。

值得注意的是，這些情景儘管看起來需要超光速的資訊傳播，但並不一定會產生祖母悖論。這裡的資訊訊號與黑洞的存在有關，黑洞具有與平坦空間不同的時空幾何形狀，因此，早先關於與過去通訊的論證不再成立。從另一個角度來看，這些可能性是誘人的：局域性原理也禁止我們自己的超光速旅行；黑洞的量子力學似乎在告訴我們，這個原理的當前表述存在問題。

改寫物理定律

到目前為止，更完整的物理學理論尚未預測到這種量子光暈情景，該理論調和了量子力學與引力，但解決問題的需要以及基於我們所見所聞的假設強烈地表明瞭這一點。如果這種情景是正確的，它可能代表了對更深層現實的一種近似描述。我們對空間和時間的概念，這是其餘科學的基礎，似乎需要進行重大修訂。目前理解黑洞的工作可能類似於玻爾和其他人首次嘗試對原子的物理學進行建模。那些早期的原子描述也是近似的，並且只是後來才導致了量子力學的深刻理論結構。儘管修改局域性似乎是不可能的，但我們可以透過注意到量子力學定律對於與它們的發現作鬥爭的經典物理學家來說也顯得非常不可能，從而找到安慰。

鑑於理清量子黑洞的故事以及描述它們的更完整的理論的巨大挑戰，物理學家們渴望獲得實驗和觀測證據來幫助指導我們。最近令人興奮的進展已經給了人類兩個直接觀測黑洞行為的視窗。除了EHT的黑洞影像外，雷射干涉引力波天文臺（LIGO）及其配套設施已開始探測到來自明顯黑洞碰撞的引力波。這些波攜帶著關於產生它們的物體的屬性和行為的寶貴資訊。

從樸素的觀點來看，EHT或LIGO能夠探測到任何偏離愛因斯坦對黑洞描述的地方，這似乎是荒謬的。傳統上，人們認為只有當時空曲率變得非常大時，才需要修改他的理論，例如在黑洞中心附近；相比之下，在大型黑洞的視界附近，曲率非常弱。但我所描述的資訊危機表明情況並非如此。理論界的大部分人現在已經達成共識，即需要對當前的物理定律進行一些修改，以描述不僅在黑洞深處，而且一直到視界之外的現象。我們似乎已經過了盧比孔河。對於M87星系中的黑洞，我們期望發現偏離經典預測的距離是太陽系大小的幾倍。

LIGO和EHT已經排除了在嘗試對黑洞進行邏輯一致描述時可能考慮的更瘋狂的可能性。具體而言，如果黑洞被直徑大約是假定黑洞兩倍以上的大質量殘餘物所取代，我們本應在來自這兩個實驗的資料中看到跡象。對於EHT，產生現在著名的影像的大部分光線來自事件視界直徑約1.5倍的區域。對於LIGO，我們探測到的部分引力波訊號同樣來自碰撞物體達到類似小分離的區域。儘管對這些訊號的研究仍處於早期階段，但EHT和LIGO已經揭示了非常黑暗和非常緻密的物體，它們產生的訊號就像未修改的黑洞預測的訊號一樣。

儘管如此，更仔細地研究這些訊號仍然很重要。足夠仔細的分析實際上可能會揭示更多關於黑洞量子物理學的線索。即使沒有觀察到新的效應，我們也會獲得資訊，這些資訊會限制對其量子行為的可能描述。

直徑足夠大的殘餘物現在已被排除，但是，如果殘餘物情景僅在視界附近修改黑洞描述，那又會如何呢？儘管完整的討論需要更全面的殘餘物理論——例如模糊球或防火牆——但我們有一些初步的指標。具體而言，如果這些物體的半徑僅略大於相應黑洞視界的半徑，那麼EHT和LIGO的觀測可能都無法揭示這樣的結構，因為很少有光或引力輻射從非常靠近視界的區域逃逸出來。

一個可能的例外是引力“回波”的可能性。正如里斯本大學的維托爾·卡多索、義大利國際高階研究學院的埃德加多·弗蘭津和羅馬薩皮恩扎大學的保羅·帕尼在2016年首次提出的那樣，如果兩個這樣的殘餘物結合形成一個具有相似特性的最終殘餘物，引力波可以從合併後的殘餘物表面反射，並且可能會被觀測到。然而，雖然大多數近視界情景很難透過觀測排除，但很難解釋這些結構如何能夠穩定，而不是在自身重量下坍縮形成黑洞。當然，這是所有大質量殘餘物情景的一個普遍問題，但在這種碰撞中的極端力存在的情況下，這個問題變得更加具有挑戰性。

對於測試某些情景而言，前景更好，在這些情景中，新的相互作用表現得像時空幾何形狀的微妙修改，但延伸到視界之外很遠的地方。例如，在強而溫和的情景中，黑洞量子光暈的波動會扭曲經過黑洞附近的光線。如果這種情景是正確的，那麼閃爍可能會導致EHT影像的失真，這些失真會隨著時間而變化。

在我和EHT科學家迪米特里奧斯·普薩爾蒂斯的合作中，我們發現對於我們星系中心的黑洞來說，這些變化可能在約一小時內發生。由於EHT將多小時的觀測結果合併為一個平均值，因此這些效應可能很難看到。但是，對於M87星系中黑洞的相關波動時間，它比我們星系中心的黑洞大1000多倍，更像是數十天。這項工作表明，我們應該透過使用比該專案最初的七天跨度更長的EHT觀測來尋找這些失真。如果實驗發現這樣的失真，它們將是黑洞量子物理學的一個壯觀線索。如果它們沒有出現，那將開始指向更微妙的弱量子情景，或者更奇異的東西。

弱而溫和的情景更難測試，因為預期幾何形狀變化的相對較小。然而，初步調查表明，這種情況可以改變引力波的吸收或反射方式，從而可能產生對引力波訊號的可觀測修改。

如果任何一種情景是正確的，我們將不僅更多地瞭解量子黑洞是什麼，而且還將更多地瞭解更深層次的自然規律。目前，當引力場存在時，我們並不完全理解如何思考資訊局域化。量子物理學表明，時空本身不是物理學的基本組成部分，而只是作為更基本的數學結構的近似而出現。量子黑洞效應的證據可能有助於使這個概念更加具體。

為了瞭解更多資訊，重要的是擴充套件和改進EHT和引力波測量。對於EHT，擁有更長時間的觀測以及其他目標（例如我們星系中心的黑洞）的影像將很有用，這兩者都在預期之中。對於引力波，更多具有更高靈敏度的觀測將是有益的，並且當日本和印度的其他探測器上線時，將有助於在美國和歐洲的現有設施。此外，還需要強大的互補理論努力來完善情景，更好地闡明其起源和解釋，並更徹底地評估它們對EHT或引力波訊號的影響程度問題。

無論危機的解決方案是什麼，黑洞都包含著關於引力的基本量子物理學以及空間和時間的本質的關鍵線索。正如原子和量子力學一樣，更好地理解黑洞很可能有助於指導物理學的下一次概念革命。EHT和引力波觀測有可能為我們提供關鍵資訊，無論是透過排除量子黑洞情景，還是透過發現與它們相關的新現象。