我們(men) 能否解決(jue) 黑洞信息悖論？答案或許是肯定的。在這一過程中，我們(men) 對黑洞和自然的認識將會(hui) 發生實質性的改變，進入到更加微觀的層次。

　　撰文 | 野村泰紀（Yasunori Nomura）

　　翻譯 | 趙劍琳

　　作為(wei) 宇宙中最特別的一種天體(ti) ，黑洞蘊含著一個(ge) 物理學家尚未解決(jue) 的悖論。目前，兩(liang) 個(ge) 主流的物理學理論在解釋黑洞如何運作時，產(chan) 生了完全不同甚至矛盾的結果。

　　包括我在內(nei) 的很多科學家嚐試去調和這些觀點，不僅(jin) 是為(wei) 了增進對黑洞的了解，更是想要去回答一些更加深刻的問題，例如“時空是什麽(me) ”。

　　雖然我們(men) 在過去的時間裏已經取得了一部分成果，但問題並沒有得到解決(jue) 。不過，我在過去幾年建立了一個(ge) 理論框架，我相信它可以很好地解決(jue) 這個(ge) 問題，讓我們(men) 在最基本的層麵上理解時空的奧秘。

　　我們(men) 麵對的問題是：根據廣義(yi) 相對論的觀點，當天體(ti) 的密度過高，在引力作用下物質向中心坍塌，並形成了黑洞。黑洞生成時，由於(yu) 其區域內(nei) 的引力極強，任何物體(ti) ——甚至是光線——都無法從(cong) 中逃離。從(cong) 原理上講，我們(men) 無法從(cong) 黑洞外麵觀測其內(nei) 部，而黑洞被稱為(wei) “事件視界”的邊緣就好像是一個(ge) 單向薄膜：物質無法從(cong) 黑洞內(nei) 部向外部逃逸，但卻能從(cong) 黑洞外部很容易地進入其內(nei) 部。

　　但當我們(men) 利用解釋基本粒子運動的量子力學效應考慮這一問題時，會(hui) 得到不同的答案。1974年，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出了著名的霍金輻射。他發現如果我們(men) 考慮黑洞的量子力學效應，它實際上在非常緩慢地釋放輻射。而這會(hui) 導致黑洞不斷損失質量，並最終消亡。如今，這一結論已經得到了多種方法的驗證，它的正確性已經毋庸置疑。

　　不過，一個(ge) 奇怪的地方在於(yu) ，在霍金的計算中，黑洞釋放的輻射與(yu) 它的形成方式無關(guan) 。這意味著兩(liang) 個(ge) 通過不同的初始態形成的黑洞，最終以同樣的方式釋放輻射。

　　而這毫無疑問是一個(ge) 問題。現代物理學建立在這樣的假設上：如果我們(men) 對於(yu) 一個(ge) 體(ti) 係具有充分的認知，我們(men) 就能解出其運動方程，從(cong) 而預言它的未來、推斷它的過去。而霍金給出的結論意味著這一基本原則是錯誤的。很多科學家認為(wei) 這個(ge) 問題已經在1997年得到了解決(jue) ，當時胡安·馬爾達西納（Juan Maldacena）提出了一種新方法來解釋這一問題，似乎能證明黑洞並沒有損失信息，但他並沒有真正解決(jue) 這個(ge) 問題。

　　2012年，加利福尼亞(ya) 大學聖巴巴拉分校的艾哈邁德·阿爾姆海裏（Ahmed Almheiri）和同事們(men) 在一篇影響力很大的論文中提供了一項有力論據，證明如果黑洞在霍金輻射過程中不存在信息丟(diu) 失，那它與(yu) 事件視界的“平滑”就會(hui) 產(chan) 生矛盾。他們(men) 在論文中提出，事物可以不受幹擾地通過事件視界。當不考慮信息丟(diu) 失時，他們(men) 認為(wei) 黑洞的事件視界事實上並不是一個(ge) 單向薄膜，而是類似於(yu) 某種堅固的牆，他們(men) 稱之為(wei) “火牆”。

　　這讓理論物理學家十分困惑，雖然他們(men) 不願意認同信息丟(diu) 失，但同樣也無法接受這個(ge) 火牆理論。其他暫且不論，火牆理論暗示愛因斯坦的廣義(yi) 相對論存在問題，至少在解釋黑洞事件視界時是錯的。

　　實際上，這個(ge) 理論是完全違背直覺的。對於(yu) 大質量黑洞，事件視界處的引力確實很弱，這是因為(wei) 它距離物質匯聚的黑洞中心太遠。因此，事件視界附近的區域看起來就像是完全的真空，但火牆理論認為(wei) ，空間在黑洞的“事件視界”上會(hui) 突然“終結”。

　　我的新工作的重點是，一個(ge) 黑洞存在著多個(ge) 層次的描述。黑洞信息的留存和事件視界的平滑對應的是不同層次的理論。在一個(ge) 層次上，我們(men) 能從(cong) 遠距離描述一個(ge) 黑洞：黑洞形成於(yu) 物質坍塌，最終會(hui) 蒸發消亡，在太空中留下霍金輻射的量子。從(cong) 這個(ge) 視角來看，馬爾達西納的觀點十分恰當，而這一過程中黑洞並沒有丟(diu) 失信息。因為(wei) 在這一場景中，一個(ge) 落向黑洞的事物永遠不會(hui) 進入事件視界，這不是由於(yu) 火牆的存在，而是因為(wei) 落入黑洞的事物和遠方的觀測者之間存在時間滯後。事物看起來好像正“緩慢地”被事件視界吸入，隨後它的信息會(hui) 通過霍金輻射中粒子之間的微妙聯係，返回到太空中。

　　在另一方麵，如果我們(men) 從(cong) 一個(ge) 正落入黑洞的人的角度來觀察整個(ge) 體(ti) 係，就能看到黑洞內(nei) 部的情況。不過我們(men) 必須忽視這一觀測體(ti) 係中某些細節，例如，正下落的觀測者可能在轉瞬之間就落入黑洞中心的奇點，來不及看到任何東(dong) 西。理論上，在這一過程中，他們(men) 能夠獲取的信息是極其有限的。因此，下落的觀測者感知到的世界，是非常“粗略”的。而在這種情況下，並不需要保存信息，因為(wei) 我們(men) 為(wei) 了達到這一觀察視角，早已丟(diu) 棄了一些信息。

　　這也就是黑洞內(nei) 部的時空與(yu) 信息留存的相容方式：它們(men) 對黑洞性質的描述處於(yu) 不同的層次上！

　　為(wei) 了更好地理解這一概念，我們(men) 可以利用這樣的類比。想象一個(ge) 裝滿水的罐子，一種理論能描述它表麵的水波。在最基本的層級上，水是大量水分子的集合，它會(hui) 運動、振動，彼此碰撞。在我們(men) 充分理解其特性的前提下，我們(men) 可以準確地描述它，且不會(hui) 丟(diu) 失任何信息。這種描述是完整的，甚至不需要引入波的概念。在另一方麵，我們(men) 可以忽視這個(ge) 分子視角，將視線聚焦於(yu) 水波，將水描述為(wei) 一種液體(ti) 。但是，在這一描述中，並不會(hui) 包含水在原子水平上的信息。舉(ju) 例來說，我們(men) 可以簡單地形容水波“消失了”，雖然事實是構成了波的分子連續運動轉化成了分子的隨機運動，但沒有任何物質真正消失。

　　這一理論框架告訴我們(men) ，廣義(yi) 相對論描述的時空景象並不像我們(men) 所以為(wei) 的，是一種最基本的描述。至少它對黑洞內(nei) 部的描述，在黑洞的多層次性質描述上，處於(yu) 一個(ge) 相對較高的層級。

　　科學家曾通過多種形式討論過類似的觀點，但是這個(ge) 新的理論框架，讓我們(men) 可以明確地判斷出一些相對微觀的自由度，或者說是自然的基本結構單元。它參與(yu) 了時空的形成，並很可能蘊含著一些遠在我們(men) 興(xing) 趣之外的理論。

　　這種關(guan) 於(yu) 黑洞悖論的新的思考方式，也可以應用於(yu) 最近由傑夫·普寧頓（Geoff Penington）、史蒂芬·H·申克（Stephen H。 Shenker）、道格拉斯·斯坦福（Douglas Stanford）和楊振斌（音譯）開展的項目中。該項目計劃將馬爾達西納描述的黑洞場景應用於(yu) 一些更加嚴(yan) 格但簡化的係統。這會(hui) 幫助我們(men) 辨別一個(ge) 真正的黑洞有哪些特性能夠或是不能通過理論分析。

　　從(cong) 笛卡爾和伽利略的時代開始，物理學革命就通常與(yu) 對時空概念的新理解密不可分，而我們(men) 似乎正處於(yu) 這樣一場變革的途中。我認為(wei) 用不了多久，我們(men) 就能對自然產(chan) 生新的理解，而後者不僅(jin) 會(hui) 有質的改變，且會(hui) 更加深刻。

　　本文轉自環球科學 

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