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
黑洞是否被火牆包圍？這是否意味著我們一項（或多項）最珍視的物理學原理——我指的是量子理論、資訊守恆或愛因斯坦等效原理等重要原理——是錯誤的？我們的救星會以蟲洞的形式出現嗎？這些問題正困擾著一些世界頂級的理論粒子物理學家，他們正在爭論“黑洞火牆”問題的潛在解決方案——這可能是自斯蒂芬·霍金近四十年前提出他的第一個黑洞資訊悖論以來，物理學中最重要的悖論。
每個黑洞都有一個事件視界。任何進入黑洞事件視界的東西都永遠無法逃脫，即使是光也不能。然而，我們一直認為事件視界並沒有那麼戲劇化——如果你要穿過一個事件視界，你不會立即注意到任何異常。
然而，事件視界在許多方面都很重要。考慮到根據量子力學定律，一對虛粒子可以憑空產生。通常，它們很快就會重新結合並相互湮滅，但如果這個過程發生在事件視界附近，一個粒子可能會被吸入黑洞，留下另一個粒子漂移到太空。這意味著黑洞會輻射粒子，這是斯蒂芬·霍金多年前指出的一個奇特的事實。最終，黑洞會失去如此多的粒子以至於它們會縮小並消亡，以霍金輻射流的形式將其質量噴射到宇宙中。
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從另一個角度來看，黑洞吞噬物質——這裡的一顆恆星，那裡的一個迷途宇航員——然後，隨著時間的推移，以霍金輻射的形式將其吐回宇宙。但是因為資訊不能被銷燬——只能被擾亂——霍金輻射必須包含所有關於掉入黑洞的東西的資訊。而這發生的唯一方法是所有的霍金輻射都是糾纏的——也就是說，每個粒子的量子態都共同依賴於霍金輻射中所有其他粒子的量子態。（糾纏是一個奇怪而重要的量子概念。如果您想了解更多，我推薦這個短影片。）
但是請記住，霍金輻射的存在僅僅是因為一對虛粒子憑空產生。一個掉了進去，另一個漂了出去。這兩個粒子也必須是糾纏的。不幸的是，量子力學定律禁止濫交糾纏——一個粒子可以與其雙胞胎糾纏，或者與來自黑洞的其餘輻射糾纏，但不能同時與兩者糾纏。
因此，我們面臨一個困境。為了使資訊守恆，霍金輻射中的粒子必須彼此糾纏。但是為了首先獲得霍金輻射，這些粒子必須與掉入黑洞的粒子糾纏。物理學家過去認為這可能是可以接受的，因為沒有單個觀察者可以檢測到兩種糾纏。但是AMPS注意到，從黑洞出來的粒子可以被調轉方向並送入黑洞，從而照亮雙量子關聯，並引起無休止的量子惡作劇。為了避免這種情況，他們認為，當粒子穿過事件視界時，原始的量子關聯會斷裂，產生能量爆發。最終效果：一道火牆。
（有關火牆悖論的更多資訊，我建議閱讀詹妮弗·奧萊特在雞尾酒會物理學、丹尼斯·奧弗比在《紐約時報》、澤雅·梅拉利在《自然》雜誌、加州理工學院的約翰·普雷斯基爾和加州大學聖巴巴拉分校的喬·波爾欽斯基，他與他的同事艾哈邁德·阿爾姆海里、唐·馬洛夫和詹姆斯·蘇利一起首次提出了這個悖論——這個四人組現在被稱為AMPS。）
黑洞火牆悖論在粒子物理學家中引起了不小的驚奇和困惑。似乎我們對宇宙的核心信仰之一是錯誤的：要麼粒子可以濫交糾纏，導致量子災難（基本上沒有人認真對待這個選項；量子理論和非濫交糾纏規則得到了數十年實驗證據的充分支援），要麼資訊不守恆（另一個不可接受的選項），要麼黑洞有火牆（即使是波爾欽斯基也認為這是一個歸謬法），或者……我們只是不完全理解真正發生了什麼。
因此，為了理清混亂局面，物理學家本週聚集在加州大學聖巴巴拉分校的卡夫利理論物理研究所，討論各種選擇。（他們一直在很好地上傳所有講座的影片，所以如果您有興趣觀看聰明人嘗試近乎即時地解決棘手的思想實驗，您可以在家關注。）一種最有趣的解決方案可能性來自胡安·馬爾達西那和倫納德·薩斯坎德，他們建立在馬克·範·拉姆斯多克和布萊恩·斯溫格爾的想法之上。馬爾達西那和薩斯坎德假設，火牆問題的解決方案可能以蟲洞的形式出現。
蟲洞！我覺得自從 90 年代以來我們就沒有談論過它們了。基本上，蟲洞是連線空間中兩個不同點的理論物體。它們被允許作為廣義相對論的愛因斯坦方程的可能解——事實上，愛因斯坦和他的同事內森·羅森首次發現了蟲洞，這就是為什麼它們也被稱為愛因斯坦-羅森橋。不幸的是，蟲洞並不完美——愛因斯坦的方程也暗示，任何具有非負能量的東西（也就是說：我們所知道的任何東西）都無法穿越蟲洞，因此它們不會很快成為有用的星際門戶。
馬爾達西那和薩斯坎德，跟隨範·拉姆斯多克的腳步，假設任何時候兩個量子粒子糾纏在一起，它們都會被一個蟲洞連線起來。然後他們繼續說，黑洞內部的粒子（掉落的虛粒子）和黑洞外部的粒子（霍金輻射）之間的蟲洞連線足以緩和糾纏問題，以便我們可以避開事件視界的火牆。
請注意，這需要對宇宙的基本物質進行深刻的反思。糾纏是一種深刻的量子現象，從根本上與宇宙的幾何結構交織在一起。或者，反過來說，量子怪異可能就是創造時空基質的東西。
當然，一切尚未定論。正如馬爾達西那和薩斯坎德在他們的論文結尾寫道
目前，我們對涉及霍金輻射雲的愛因斯坦-羅森橋瞭解不足，無法得出明確的結論……AMPS悖論是一個極其微妙的悖論，我們相信，它的解決將教會我們很多關於幾何與糾纏之間聯絡的知識。AMPS 指出了關於黑洞內部的深刻而真實的悖論。
如果說悖論有什麼偉大的地方，那就是它們的解決需要徹底的突破。我們為這項工作制造的裝置可能會將我們帶到我們從未夢想過的地方。
圖片來自維基共享資源，由烏特·克勞斯、克勞斯物理教育組，希爾德斯海姆大學，時空旅行提供，（銀河系的背景影像：阿克塞爾·梅林格）
