幾年前，一個化學家團隊將煮熟的雞蛋還原為生雞蛋。煮沸會導致雞蛋中的蛋白質分子相互纏繞，而離心機可以解開它們，使其恢復原狀。這項技術在廚房中的實用性值得懷疑，但它巧妙地證明了物理學的可逆性。物理世界中的任何事物都可以雙向執行——這是物理定律最深刻的特徵之一，反映了空間、時間和因果關係的基本對稱性。如果你將系統的所有部分都倒轉，那麼已經完成的事情將被撤銷。倒轉時鐘所需的資訊始終被保留。當然，在簡單的系統中撤銷一個過程可能很容易，但在複雜的系統中則不然，這就是雞蛋還原器如此巧妙的原因。
但有一個令人不安的例外：黑洞。如果一顆質量足夠大的恆星在自身重量的作用下坍縮，其引力會無限增強，並將物質鎖定在其中。跳入其中一個，就無法回頭。將兩個黑洞合併在一起，就無法將它們分開。黑洞向宇宙呈現出一個幾乎完全沒有特徵的外觀。看著它，你無法分辨出是什麼東西掉了進去。黑洞似乎沒有保留資訊。物理學家大衛·芬克爾斯坦在 1958 年首次意識到了這種不可逆性，這是黑洞資訊悖論的最早跡象——“悖論”是因為可逆定律怎麼會產生不可逆的效應？這個悖論預示著物理學家對世界的理解存在更深層次的弊病。科學家們有很多理由去尋求自然的大統一理論，但資訊悖論是他們最具體的動機，並且在他們幾乎無路可走的時候，它指引了他們的方向。
在謎題出現 60 多年後，物理學家終於看到了解決的希望。在 COVID 疫情爆發前的一年以及整個封鎖期間，一個理論家聯盟在理解這個悖論方面取得了巨大進步——一些人說，這是幾十年來的最大進展。他們支援了黑洞儘管外表看起來不可逆，但實際上是可逆的觀點，並且消除了官方的悖論。物理理論不再與自身矛盾。然而，這項工作存在爭議，並且按照其支持者自己的說法，它充其量只是對黑洞的完整解釋的起點。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
直到最近，物理學家幾十年來在這個悖論上取得的大部分“進展”都包括意識到這個問題比他們想象的還要困難。芬克爾斯坦最初的工作留下了漏洞。首先，它基於愛因斯坦的廣義相對論，物理學家知道這並非全部，因為它遺漏了量子效應。在 20 世紀 70 年代，斯蒂芬·霍金——以使他家喻戶曉的工作——首次嘗試將這些效應包括在內。他的計算預測黑洞會緩慢釋放能量。但是這種輻射不攜帶任何有關掉入其中的事物的資訊，因此無助於倒轉時鐘。如果說有什麼幫助的話，那就是外洩的粒子流使困境更加惡化。黑洞最終會耗盡能量並像夏日的水坑一樣蒸發消失。它囚禁的所有物質都沒有被釋放，而是被消滅了。霍金的分析將普遍的不安提升為物理學的全面危機。
1993 年，霍金的前研究生唐·N·佩奇（現任職於阿爾伯塔大學）將這個洞挖得更深。他表明，如果黑洞要吐出其資訊，它就不能等到臨終時刻，而必須在其壽命大約一半的時候開始。這意義重大，因為中年黑洞的體積與其原始體積相比只會略微縮小，並且仍然應受普通物理定律的支配。因此，物理學家不能僅僅將整個問題歸咎於未知的奇異物理學；它表明即使在最成熟的理論中也存在不一致性。2009 年，俄亥俄州立大學的薩米爾·D·馬圖爾進一步表明，對霍金計算的細微調整是行不通的。有些重要的東西不見了。
佩奇和馬圖爾分析的關鍵要素是量子糾纏，這是一種特殊的關聯，粒子即使在沒有力或其他影響將它們聯絡起來時也可能具有這種關聯。糾纏本身就很神秘，但物理學家可以將其放在一邊，並詢問它對黑洞意味著什麼。大多數掉入黑洞的粒子都與留在外面的粒子糾纏在一起，如果要使黑洞保留資訊，就必須保持這些聯絡。然而，根據新澤西州普林斯頓高等研究院的艾哈邁德·阿爾姆海里及其同事在 2013 年進行的一項有影響力的研究，這些聯絡不能簡單地轉移到霍金假設的外洩粒子上，至少在不引起其他麻煩的情況下不能。
因此，黑洞可能是可逆的，但理論家的困惑只是單向的。從好的方面來看，對悖論的研究已經衍生出關於引力、時空和物理學統一的想法。首先，黑洞暗示空間容納物質的能力有限——你只能將物質儘可能緊密地堆積起來，然後它會內爆形成黑洞。奇怪的是，空間的儲存容量隨著區域的面積而不是體積而擴大。空間看起來是三維的，但表現得好像是二維的。它具有一種虛幻的品質，我們通常對此渾然不覺，但在黑洞中卻變得顯而易見。
這種認識是後來被稱為全息原理的起源，全息原理是現代理論科學中最令人著迷和困惑的想法之一。它說，我們體驗到的至少一個空間維度並非自然的根本，而是從量子動力學中產生的。全息原理最完善的版本是所謂的 AdS/CFT（反德西特空間/共形場論）對偶性。它將宇宙視為一個巨大的水晶球。在一個版本中，一個稱為體（AdS）的三維空間被封裝在一個二維邊界（CFT）內。體和邊界在數學上是等價的（“對偶”），儘管理論家通常認為邊界更根本，而體從中湧現出來。體中發生的任何事情在邊界的影子世界中都有一個平行。如果一顆行星在體中繞恆星執行，那麼行星和恆星的陰影會在邊界上跳舞。
多年來，科學家們不斷完善這種對偶性。今天，物理學家不僅可以將 3D 空間等同於 2D 空間，他們還可以將 3D 空間的特定部分與 2D 空間的特定部分相匹配。他們還可以關聯雙方的特定物理量。馬薩諸塞理工學院的內塔·恩格爾哈特和劍橋大學的阿倫·沃爾在 2014 年開發的這種對應關係的最先進版本將表面積與量子糾纏量聯絡起來。這些非常不同的量實際上是相同的，這種等價性讓理論家得以一窺自然的潛在統一性。
有了所有這些要素，理論家們得以對黑洞資訊悖論發起新的攻擊。2019 年，阿爾姆海里、恩格爾哈特及其同事，以及加州大學伯克利分校的傑夫·彭寧頓（他使用的是大致相似的方法）（獨立地）能夠展示資訊如何以佩奇規定的方式從黑洞中逃逸。（在阿爾姆海里的文章中閱讀更多關於這一突破的資訊。）透過這樣做，研究人員證實黑洞畢竟是可逆的。同年晚些時候，這些作者和其他作者再次分成兩個平行的團隊工作，再次檢查了外洩的輻射是否攜帶了黑洞釋放出的資訊。這一次，他們的計算並沒有直接依賴 AdS/CFT 對偶性。相反，他們採用了與霍金基本相同的數學技術。正如佩奇所論證的那樣，如果悖論在於成熟的理論，那麼它的解決就不應該取決於像 AdS/CFT 這樣花哨的東西。
團隊證實並非如此。黑洞積累了如此巨大的糾纏量，以至於時空幾何發生了劇烈的轉變。黑洞內部和周圍的時空呈現出複雜的形狀，包括類似於科幻小說中的時空門戶的蟲洞。這些蟲洞將黑洞的內部與外部世界連線起來，儘管它們如何使資訊逃逸仍然不清楚。儘管這種幾何轉變聽起來可能很奇怪，但它完全符合現有的物理學。無論您對黑洞有什麼看法，它們都不再是悖論——它們並不代表當前理論內部的不一致性。
即使按照現代物理學的標準，這些計算也令人望而生畏。懷疑論者印象深刻，但這並沒有阻止他們挑剔論證中的漏洞。然而，當辯論如火如荼地進行時，疫情爆發了，科學研究陷入了停滯。直到 2021 年底，面對面會議才恢復。一些物理學家當時表示，Zoom 科學研究與以往不同，支持者和懷疑論者並沒有真正相互交流。“也許這部分是疫情的功能，即該領域更加分裂，”班加羅爾塔塔基礎研究所的蘇夫拉特·拉朱說。
在一次特別尖銳的批評中，拉朱及其同事抱怨說，這兩個團隊的設定非常牽強。在某種程度上，大多數理論模型都可以這樣說，但這些作者說，這個模型做出了並非完全無辜的理想化假設。例如，它假設引力不僅隨著距離減弱，而且最終會完全消失。這種假設從根本上改變了這種力的性質，因此，儘管技術上是正確的，但這些計算對真實世界中的引力或黑洞幾乎沒有說明作用。
馬圖爾和其他人還認為，這項新工作暗示了一種非局域效應——一種不透過空間傳播，而是從一個地方跳到另一個地方的效應——從黑洞中提取資訊。這本身並不令人驚訝。物理學家普遍認為，黑洞需要非局域效應才能說得通。但是，這些分析中特定型別的非局域性在一些懷疑論者看來是不可信的。
拉朱和馬圖爾都提倡資訊悖論的替代解決方案。拉朱認為，資訊不必從黑洞中逃逸出來，因為它已經在外面了。他說，引力有一個長尾——這種力在無限範圍內起作用——這阻止了資訊被束縛在任何地方。黑洞外部的引力場、電磁場和其他量子場保留了掉入其中的任何東西的印記。“這個區域資訊豐富，”拉朱說。馬圖爾則認為，真正的黑洞永遠不會真正形成。根據弦理論，當一顆恆星開始坍縮時，它會喚醒奇異的物理學，根據弦理論，所有粒子都是更原始型別的物質中的振動模式。弦物理學阻止了坍縮，留下了一顆高度緻密的恆星，也稱為模糊球。這顆小恆星不會在引力上將自身隔離，資訊會隨著它的光線傳輸出去。
這些想法及其變體也有批評者。事實上，馬圖爾和拉朱對彼此的方法存在分歧。因此，黑洞的本質仍然懸而未決。而且，延續歷史趨勢，理論家們在發現新難題方面比解決舊難題方面做得更好。近年來，斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德又注意到了黑洞的另一個悖論。黑洞內部的空間非常具有彈性，以至於它們的內部體積應該永遠增長。然而，這種膨脹將違反任何封閉系統都將達到平衡的原則。一些迄今為止未被懷疑的物理學最終必須介入以穩定內部。
薩斯坎德和其他人還發現，黑洞是非常混亂的系統，在其沒有特徵的外表下漩渦和沸騰。至少，黑洞的這一方面可以在計算機模擬和實驗室實驗中進行研究。創造一個真正的黑洞是他們無法企及的，但實驗主義者正在研究離子、凝聚物和其他物質系統中相同的混沌動力學。他們執行系統，然後解開它；將其恢復到精確的起點需要精湛的精度，這表明即使黑洞在原則上是可倒帶的，但看起來也可能是不可逆的。
與此同時，理論家們認為適用於黑洞的也可能適用於整個宇宙。由於我們的宇宙正在加速膨脹，因此它具有類似於黑洞事件視界那樣的單向表面，物理學家希望關於黑洞的見解也能揭示宇宙的秘密。（在埃德加·沙古利亞的文章中閱讀更多關於這個想法的資訊。）
說實話，物理學家們很高興黑洞被證明如此難以理解。如果問題如此之難，那麼解決方案一定很深刻。