本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
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本週在一次演講後與同事聊天時，喬·波爾欽斯基說他很想掉進黑洞。大多數理論物理學家都會這樣想。這並不是因為他們有什麼特殊的死亡願望，也不是因為現在的科學資助前景如此黯淡。他們只是對將會發生什麼感到非常好奇。黑洞是已知物理定律發生最直接衝突的地方。最麻煩的是斯蒂芬·霍金在1976年向世界提出的黑洞資訊悖論。波爾欽斯基和他的同事們已經表明，目前的困境比物理學家們過去認為的還要糟糕。今年春天，我在訪問聖巴巴拉卡弗裡理論物理研究所時第一次聽說了他們的頭腦風暴，這個團隊——波爾欽斯基和他的聖巴巴拉同事唐·馬羅夫、艾哈邁德·阿爾姆海里和詹姆斯·蘇利——在夏天寫成了論文。波爾欽斯基幾個月前在部落格上談論了這件事，另一位幫助促成這個想法的理論家約翰·普雷斯基爾上週也這樣做了。波爾欽斯基在紐約大學物理系做的演講吸引了爆滿的聽眾，沒有一個人提前溜走，演講結束後一個小時他還在回答問題。關於霍金最初的悖論（包括我寫的）的文章幾乎和關於財政懸崖的文章一樣多，所以我將直接跳到新版本。論證的第一步是波爾欽斯基和他的合著者稱之為“無戲劇性”原則。根據目前的物理學理論，黑洞主要只是空的空間。它的邊界或“事件視界”不是一個物質表面，而只是一個假設的位置，標誌著不歸路。一旦進入內部，你就會被引力緊緊抓住，永遠無法逃脫。那時，你以接近光速的速度下落，在到達中心並被壓成虛無之前，你有幾秒鐘的時間環顧四周。但在穿越的那一刻，不應該發生任何引人注目的事情。愛因斯坦最偉大的見解之一是，自由落體的觀察者——無論是掉進黑洞還是朝地面墜落——都感覺不到重力，因為他們周圍的一切也在墜落。正如他們所說，殺死你的不是墜落，而是最後的突然停止。外部觀察者知道你註定要完蛋，但也認為在穿過事件視界時不會發生任何不祥的事情。事實上，這位觀察者永遠看不到任何東西真正穿過。由於一種引力海市蜃樓，事物似乎減速並凍結在時間中。所有堆積在視界上的物質形成了一個幽靈般的薄膜，它遵守通常的物理定律，並具有粘度和導電性等常規特性。第二步是關聯這兩個觀點。對於墜落的觀察者來說，空間看起來像真空，而在量子理論中，真空是一種非常特殊的狀態。它是一個沒有粒子的空間區域。它不是一個空無一物的區域。電磁場和其他場是無法擺脫的。（如果你可以，這個區域不僅是空的，而且是不存在的。）粒子不過是這些場中的一個振動，而使真空成為真空的原因是所有可能的振動都精確地相互抵消，使場平靜下來。為了維持這種精細平衡的狀態，振動必須彼此完全量子糾纏。對於外出的觀察者來說，視界（或薄膜）將空間一分為二，振動似乎不再相互抵消。看起來好像有粒子向各個方向飛散。這與墜落的觀察者的觀點完全相容，因為場是基本的，而粒子的存在是一個視角問題。換句話說，空虛是量子物理學中的一個整體性質——對於一個空間區域的整體而言是真實的，但對於單個子區域而言則不然。為了使兩個觀點保持一致，外部觀察者推斷，他或她看到的每個粒子在視界內部都有一個分身。這兩個粒子是量子糾纏的，就像你在實驗室實驗中讀到的那些粒子一樣。（觀看我的同事今年早些時候製作的這個輕鬆愉快的影片，以解釋糾纏。）單獨來看，這兩個粒子的行為都完全是隨機的，但它們在一起形成一對匹配的粒子。參見左圖：墜落的觀察者看到真空態a，外部觀察者看到糾纏的粒子b和b?。粒子b是物理學家所稱的霍金輻射的一部分。第三步是考慮黑洞的長期命運。像世界上的一切事物一樣，黑洞也必須衰變——量子力學規定了這一點。在這個過程中，黑洞必須逐漸釋放出所有掉進去的東西。如果喬·波爾欽斯基跳進黑洞，他將與所有其他做過同樣事情的理論家們混雜在一起，這種病態的糊狀物將以粒子的形式逐個出現在霍金輻射中。雖然被嚴重破壞以至於無法辨認，但每一位為知識事業獻身的殉道者仍然可以被分離出來並重新拼接在一起。為了實現這種重建，霍金輻射的粒子必須彼此完全糾纏。因此，根據第二步，每個從黑洞飛出的粒子都必須與其在黑洞內部的分身完全糾纏。根據第三步，該粒子還必須與其他從黑洞飛出的粒子完全糾纏。這兩個結論相互衝突，因為量子力學認為粒子是單配偶的。它們不能同時與多個夥伴完全糾纏。它們可以部分糾纏，但這不足以確保觀察者觀點之間的一致性或重建墜落的物理學家。這種黑洞悖論的表述證明了霍金最初的論點。多年來，物理學家們一直希望魔鬼藏在細節中——更精確的計算將揭示一條逃生路線——結果卻一再失望。現在他們已經正式放棄了希望。基本前提之一一定是錯誤的——也就是說，關於現代物理學的某些深層的東西一定是錯誤的。“你需要巨大的改變，而不僅僅是量子引力修正，才能使霍金的論點無效，”波爾欽斯基在紐約大學聚集的人群中說道。更令人驚訝的是，波爾欽斯基和他的合著者已經表明，斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德倡導的一種流行的黑洞互補性方法也無法解決問題。薩斯坎德認為，雖然墜落和外部觀察者可能會看到不同且互不相容的事件，但沒有一個觀察者可以同時是墜落和外部的，因此沒有一個觀察者會面臨直接的矛盾。在這種情況下，悖論僅僅是概念性的——暗示它在某種程度上是虛幻的，是錯誤地思考這種情況的產物。但波爾欽斯基和他的同事表明，一個觀察者可以透過首先在黑洞外部徘徊，然後再跳進去來抓住一個粒子多配偶的行為。最不激進的結論是“無戲劇性”原則是錯誤的。掉進黑洞的人不會平靜地穿過視界，而是撞到一道火牆並立即被焚化。“我認為這很瘋狂，”波爾欽斯基承認。但是，為了使黑洞衰變並且其內容物溢位，正如量子力學所要求的那樣，墜落的觀察者不能只看到真空。火牆的想法在我看來類似於過去關於黑洞在某種程度上是物質物體的推測——所謂的黑星或暗物質星——而不是僅僅是空白空間。“我被這個問題困擾了20年，”波爾欽斯基說，“現在我仍然和以前一樣困惑。”如果能夠回答這個問題就好了，哪怕只是為了讓任何人都不必親自去冒險回答這個問題。圖表由約瑟夫·波爾欽斯基提供