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
黑洞是宇宙中最奇特的物體之一，給物理學家們提出了一個悖論。我們最好的兩個理論為我們提供了關於這些物體如何運作的兩種不同且看似矛盾的圖景。包括我自己在內的許多科學家一直試圖調和這些觀點，不僅是為了理解黑洞本身，也是為了回答更深層次的問題，例如“什麼是時空？” 雖然我和其他研究人員多年來取得了一些初步進展，但問題依然存在。然而，在過去一年左右的時間裡，我開發了一個框架，我相信這個框架優雅地解決了這個問題，並讓我們瞥見了時空如何在最基本層面上湧現出來的奧秘。
問題是這樣的：從廣義相對論的角度來看，如果物質的密度變得太大，引力就會將物質一直坍縮到中心點，從而產生黑洞。當這種情況發生時，這個區域的引力非常強，以至於沒有任何東西——甚至是光——可以逃脫。因此，從外部無法看到黑洞的內部，即使在理論上也是如此，邊界，被稱為事件視界，就像一個單向膜：沒有任何東西可以從內部到外部，但是從外部穿過它到達內部沒有問題。
但是，當我們考慮量子力學的效應時，即支配基本粒子的理論，我們得到了另一幅圖景。1974年，斯蒂芬·霍金提出了一個讓他成名的計算。他發現，如果我們將量子力學效應包括在內，黑洞實際上會輻射，儘管非常緩慢。結果，它逐漸失去質量並最終蒸發。這個結論現在已經透過多種方法驗證，其基本有效性是毋庸置疑的。然而，奇怪的是，在霍金的計算中，黑洞發出的輻射並不取決於物體是如何產生的。這意味著，由不同初始狀態產生的兩個黑洞最終可以得到相同的最終輻射。
關於支援科學新聞報道
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今天世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
這是一個問題嗎？是的，這是一個問題。現代物理學建立在這樣的假設之上：如果我們對一個系統有完美的瞭解，那麼我們就可以透過求解運動方程來預測它的未來並推斷它的過去。霍金的結果意味著這個基本原則是不正確的。我們中的許多人認為，這個問題在1997年胡安·馬爾達西那發現一種新的看待問題的方式時得到了解決，這種方式似乎證明資訊沒有丟失。
結案了嗎？不完全是。2012年，艾哈邁德·阿爾姆海里和加州大學聖巴巴拉分校的合作者在他們有影響力的論文中提出了一個強有力的論點，即如果資訊在霍金輻射過程中被保留，那麼這與視界的“平滑性”——即物體可以不受影響地穿過事件視界的概念——是不一致的。鑑於資訊丟失的可能性被排除在外，他們認為黑洞視界實際上不是一個單向膜，而更像是一堵堅不可摧的牆，他們稱之為火牆。
這讓理論家們非常困惑。儘管他們不喜歡資訊丟失，但他們也討厭火牆。除其他外，火牆的想法意味著愛因斯坦的廣義相對論是完全錯誤的，至少在黑洞的視界處是這樣。事實上，這完全是違反直覺的。對於一個大型黑洞來說，視界處的引力實際上非常弱，因為它遠離所有物質所在的中心點。因此，視界附近的區域看起來非常像空曠的空間，然而，火牆論證卻說，空間必須在視界的位置突然“結束”。
我的新工作的主要 thrust 是意識到對黑洞有多個層次的描述，而資訊的儲存和視界的平滑性指的是不同層次的理論。在一個層面上，我們可以描述從遠處觀察到的黑洞：黑洞是由物質坍縮形成的，最終蒸發，在空間中留下霍金輻射的量子。從這個角度來看，馬爾達西那的洞見成立，並且在這個過程中沒有資訊丟失。那是因為，在這個圖景中，一個朝黑洞墜落的物體永遠不會進入視界，不是因為火牆，而是因為墜落物體的時鐘與遠處觀察者的時鐘之間存在時間延遲。物體似乎慢慢地“被吸入”視界，其資訊隨後以霍金輻射粒子之間微妙的關聯形式傳送回空間。
另一方面，黑洞內部的圖景是在從墜入其中的人的角度觀察系統時出現的。在這裡，我們必須“忽略”系統中的精細細節，因為墜落的觀察者無法看到這些細節，因為他或她只有有限的時間直到他們到達黑洞中心的奇點。這限制了他們可以訪問的資訊量，即使在理論上也是如此。因此，墜落的觀察者感知到的世界是“粗粒化”的世界。在這個圖景中，資訊不需要被儲存，因為我們為了達到這個視角已經丟棄了一些資訊。這就是內部時空的存在可以與資訊的儲存相容的方式：它們是自然描述在不同層次上的屬性！
為了更好地理解這個概念，以下類比可能會有所幫助。想象一個水箱中的水，並考慮一個描述水面波浪的理論。在基本層面上，水由一堆水分子組成，這些分子移動、振動並相互碰撞。憑藉對其特性的完美知識，我們可以確定性地描述它們，而不會丟失資訊。這種描述將是完整的，甚至不需要引入波浪的概念。另一方面，我們可以透過忽略分子水平的細節並將水描述為液體來關注波浪。然而，原子水平的資訊沒有在這種描述中儲存下來。例如，一個波浪可以簡單地“消失”，儘管事實是，產生波浪的水分子的相干運動已經轉化為每個分子的更隨機的運動，而沒有任何東西消失。
這個框架告訴我們，廣義相對論提供的時空圖景並不像我們可能認為的那樣基本——它僅僅是在自然的分層描述中，至少在黑洞內部，在更高層次上出現的一個圖景。早些時候已經以不同的形式討論過類似的想法，但是新的框架允許我們明確地識別相關的微觀自由度——換句話說，自然的基石——參與時空的湧現，這令人驚訝地涉及到我們通常認為遠離感興趣區域的元素。
這種思考悖論的新方法也可以應用於傑夫·彭寧頓、斯蒂芬·H·申克、道格拉斯·斯坦福和甄賓·楊最近設計的一個設定，其中馬爾達西那的場景被更嚴格地應用，但在簡化的系統中。這使我們能夠確定現實黑洞的哪些特徵被或未被此類分析捕獲。
從笛卡爾和伽利略時代開始，物理學的革命通常與對時空概念的新理解有關，現在看來我們正處於另一場這樣的革命之中。我強烈懷疑，我們可能很快就會見證對自然的一個質的不同的、更深層次的理解的出現。