掉進黑洞從來都不是一件有趣的事情。物理學家意識到黑洞存在後，我們就知道離黑洞太近意味著必死無疑。但我們過去認為，宇航員如果掉過“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，沒有任何路標會標明逃離線會降至零的點。任何穿越視界的人似乎只會不斷地往下掉，掉進一片黑暗之中。
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，重新塑造了這幅圖景。現在看來，我們的宇航員的經歷將與阿爾伯特·愛因斯坦的預測大相徑庭。宇航員不會無縫地墜入內部，而是在視界處遇到“防火牆”，即高能粒子，這將是瞬間致命的。這個牆甚至可能標誌著空間的盡頭。
2012年，我們四個人，當時都在加州大學聖巴巴拉分校——我的同事唐納德·馬洛夫，當時的博士生艾哈邁德·阿爾姆海里和詹姆斯·蘇利，以及我（現在以首字母縮寫詞AMPS而聞名）——在使用弦理論的思想仔細研究了黑洞物理學，特別是已故的斯蒂芬·霍金在20世紀70年代提出的一個有趣的論點後，得出了這個結論。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的深刻衝突。根據他的推理，要麼量子力學，要麼愛因斯坦對時空的描述是有缺陷的。關於哪種觀點是正確的爭論，自那以後一直在搖擺不定。
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與霍金最初的主張一樣，我們的防火牆提議也引起了軒然大波，而且尚未出現令人滿意的替代方案。如果要相信量子力學，防火牆是必然的結果。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，這種困惑將帶來對量子力學和相對論更完整的理解，並理想地找到一種最終解決這兩種物理學主流理論之間明顯矛盾的方法。
奇點
廣義相對論誕生了黑洞的概念，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，引力就會導致它開始坍縮。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稠密和無限彎曲的單點，稱為奇點——換句話說，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，一旦過了視界，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，整個太陽系可能正在墜入一個巨大的黑洞，而我們不會體驗到任何異常之處。
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，粒子和它們的反物質對應物會不斷地突然出現，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。一個會掉進奇點，另一個會從黑洞中逃逸，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落入其中增加質量的速度，比它們因輻射而損失質量的速度快得多。但是，出於理論目的，我們可以研究如果黑洞完全孤立，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。在思考孤立的黑洞時，霍金注意到，從黑洞流出的同名輻射的光譜，看起來會像一個輻射熱體的光譜，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。已故的物理學家雅各布·D·貝肯斯坦也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。熵是無序程度的衡量標準，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光滑的幾何形狀，並指出給定質量、自旋和電荷的每個黑洞都應該完全相同：用已故的普林斯頓大學物理學家約翰·惠勒的話來說，“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，或者說毛髮。
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，從黑洞逃逸出來的粒子，根本不取決於進入黑洞的物質的屬性——通常是一顆坍縮的巨星。例如，我們可以把一張寫有資訊的便條送進黑洞，然後就無法從最終出現的粒子中重建資訊。一旦便條穿過視界，它就無法影響後來出來的任何東西，因為沒有資訊可以從內部逃脫。在量子力學中，每個系統都由一個稱為波函式的公式來描述，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屬性，來預測霍金輻射的波函式。資訊丟失是量子力學所禁止的，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。
你可能會對自己說，“當然，黑洞會摧毀資訊——它們會摧毀進入其中的一切。”但比較一下如果我們只是燒掉便條會發生什麼。資訊肯定會被打亂，從煙霧中重建資訊是不切實際的。但是，燃燒的過程是由普通的量子力學描述的，應用於便條中的原子，而煙霧的量子描述將是一個確定的波函式，它將取決於原始資訊。因此，理論上，可以透過波函式重建資訊。然而，在黑洞的情況下，對於產生的輻射，將不存在確定的波函式。
基於這個類比，許多理論家得出結論，霍金是錯誤的，他把資訊的擾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，而且會隨時隨地發生——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，我們會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。與燒紙不同，黑洞有視界，資訊無法越過視界逃脫。因此，我們似乎有一個尖銳的悖論：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脫。
還存在第三種可能性——黑洞不會完全蒸發，而是最終變成一個微小的殘餘物，其中包含創造它的原始恆星的所有資訊。然而，這種“解決方案”也有其自身的困難。例如，這樣一個包含如此多資訊的小物體，將違反貝肯斯坦-霍金的熵概念。
來源：Jen Christiansen
黑洞和膜
弦理論是試圖糾正相對論和量子力學碰撞時出現的一些問題的嘗試之一，就像在黑洞的情況下一樣。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，出現了突破。基於我和其他幾個人在幾年前所做的工作，我證明了當時的弦理論是不完整的。相反，它需要存在比我們熟悉的空間三維和時間一維更多的維度中的物體。在黑洞中，這些更高維度的物體，稱為D-膜，將是非常微小的——包裹在隱藏維度中，小到我們無法探測到。第二年，安德魯·斯特羅明格和卡姆倫·瓦法，他們現在都在哈佛大學，證明了弦和D-膜共同提供了精確的位元數，來解釋黑洞熵，至少對於某些非常對稱的黑洞來說是這樣。熵之謎部分得到了解決。
接下來的問題是，資訊丟失怎麼辦？然後在1997年，現在在普林斯頓高等研究院的胡安·馬爾達西那，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。馬爾達西那的對偶性表明，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，等價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價於普通熱核粒子的氣體。這也意味著時空與我們感知到的根本不同，更像是從更基本的二維球面表面投影出來的三維全息圖。
利用馬爾達西那的對偶性，物理學家們也得到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，那麼普通量子定律也適用於引力，資訊不會丟失。透過一個不太直接的論證，蒸發黑洞不能留下任何殘餘物，因此一定是資訊隨著霍金輻射一起出來了。
馬爾達西那的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理論，而馬爾達西那是透過追查黑洞熵和資訊丟失之謎而發現它的。它尚未被證明是正確的，但它得到了大量證據的支援——足以讓霍金在2004年宣佈，他已經改變了對黑洞需要丟失資訊的看法，並在都柏林舉行的國際廣義相對論和引力會議上，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，對於遵守馬爾達西那規則的黑洞附近，沒有哪個單一觀察者會看到任何違反相對論或其他定律的情況，儘管他的對偶性不足之處在於，沒有清楚地解釋資訊是如何從黑洞內部到達外部的。
大約30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個方案，該方案涉及一種稱為黑洞互補性的相對論原理。本質上，這個論點認為，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出來。兩者之間沒有矛盾，因為這兩個觀察者無法溝通。
防火牆
馬爾達西那的對偶性和黑洞互補性似乎消除了所有的悖論，但許多細節尚未填補。2012年，我自己的AMPS合作試圖建立一個模型，說明組合圖景將如何運作，這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·B·吉丁斯的思想之上（並且擴充套件了，在我們不知情的情況下，英格蘭約克大學的塞繆爾·布勞恩斯坦的早期論點）。在反覆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，並且仍然存在矛盾。
當考慮到量子糾纏現象時，這種矛盾就會出現——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，那麼糾纏粒子就像兩個骰子，它們的點數總是加起來等於七：如果你擲骰子，第一個是二，那麼第二個總是五，依此類推。同樣，當科學家測量一個糾纏粒子的屬性時，測量也決定了其夥伴的特性。量子理論的另一個結果是，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，那麼它就不能與粒子C糾纏。糾纏是單配的。
在黑洞的情況下，考慮一個霍金光子；稱之為“B”，在黑洞至少蒸發了一半後發射出來。霍金過程意味著B是一對粒子的一部分；稱其掉入黑洞的夥伴為“A”。A和B是糾纏的。此外，最初掉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，並且輸出的霍金光子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）。但這樣我們就有了矛盾：多配！
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現象的代價，是A和B之間糾纏的喪失。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。打破所有霍金對的糾纏意味著，視界是一堵高能粒子牆，我們稱之為防火牆。一個正在墜落的宇航員，與其說是自由地穿過視界，不如說是遇到了一些戲劇性的事情。
在一個不應該發生任何不尋常事情的地方，發現如此大的偏離廣義相對論——一堵能量牆——是令人不安的，但論點很簡單，我們找不到缺陷。從某種意義上說，我們只是倒過來運行了霍金最初的論點，假設資訊沒有丟失，並看看這個假設會引向何處。我們得出的結論是，與其說是互補性的微妙影響，不如說是廣義相對論的劇烈崩潰。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。
要麼這些奇怪的防火牆真的存在，要麼似乎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，觀察真實的黑洞將無法決定這個問題——來自防火牆的任何輻射都會被黑洞的引力削弱，使得防火牆非常難以看到。
空間的盡頭
此外，如果防火牆存在，它是什麼？一種觀點是，防火牆只是空間的盡頭。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”。如果時空無法在內部發生，那麼空間就會在視界處結束，而一個墜落的宇航員撞到它時，會溶解成駐留在邊界上的量子位元。
為了避免這種奇異的場景，物理學家們試圖規避防火牆的結論。一種觀點是，由於霍金輻射粒子B必須與A和C都糾纏，那麼A一定是C的一部分：視界後面的光子在某種程度上與早期霍金輻射中編碼的位元是相同的，即使它們處於非常不同的位置。這個概念有點像黑洞互補性的最初想法，但是要建立這個場景的具體模型，似乎最終又要修改量子力學。來自馬爾達西那和薩斯坎德的最激進的想法是，每一對糾纏粒子都透過一個微小的時空蟲洞連線，因此，像黑洞內部這樣大的時空區域，可以由大量的糾纏構成。
霍金曾提出，廣義相對論適用於黑洞，但量子力學失效了。馬爾達西那的結論是，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，其中大多數放棄了一個或另一個長期存在的原則，並且對於解決問題的正確方向，沒有達成共識。一個常見的問題是，防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，研究人員感到興奮的是，我們發現了物理學中心理論之間的新的矛盾。我們無法明確地說防火牆是否真實存在，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運作的基本假設。由此可能會產生對空間和時間的本質，以及所有物理定律的基礎原理更深刻的理解。最終，透過解開黑洞防火牆核心的難題，我們可能會獲得將量子力學和廣義相對論統一為一個可行的理論所需的突破。