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掉入黑洞等于撞上火墙吗?

【按照广义相对论,可怜掉入黑洞的宇航员在穿过一去不复返的视界时,大概不会感觉到任何特殊才对。量子力学却需求,黑洞视界之内存在一道火墙,会将宇航员刹那间焚成灰烬。图像来历:《自然》】

(文/Anil Ananthaswamy)“在物理学中,悖论是个好东西,”约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)说,“它们会向你指明通往重要发现的路途。”在量子力学和爱因斯坦的相对论中有许多这样的悖论。有只猫,它能够在同一时间即是死的又是活的。或许类似《回到未来》电影中的时间旅行者,他能够杀死自个的祖父,使自个无法降生。又或许,双胞胎中的一个接近光速往返一颗邻近恒星,聚会后他们会对彼此的年龄发作异议。每一个令人费解的窘境都迫使咱们去审视细节,从而促进咱们了解它背后的理论。爱因斯坦就是一个典型的例子,他的相对论就源自于解决他的时间悖论而作出的努力。

现在普瑞斯基尔,这位美国加州理工学院的理论物理学家,正在绞尽脑汁苦苦思索浮出水面的最新一则悖论。它被昵称为“黑洞火墙悖论”,事关有人掉入黑洞时到底会发作些啥。

间隔咱们最近的黑洞也在1000光年之外,因而这个疑问纯粹是个理论疑问。然而,正是通过研讨这样一种能够性,物理学家期望能够获得突破,测验将广义相对论和量子力学统一成量子引力理论——这也是现代物理学中最棘手的疑问之一。

黑洞信息

黑洞长久以来一直是繁殖悖论的肥沃温床。早在1974年,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和以色列希伯来大学的雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)就证明,黑洞并不是全黑的。相反,它们会辐射出能量,被称为霍金辐射,由光子和其他量子粒子构成——这个过程极端缓慢,但最终会导致黑洞完全蒸腾。

霍金发现,这个理论存在一个疑问。这种辐射看上去相当随机,因而霍金估测它不能够携带任何与掉入黑洞的物质有关的信息。因而,随着这个黑洞蒸腾殆尽,它拥有的信息最终一定会消失。然而,这与量子物理的核心宗旨直接冲突,由于量子物理以为信息不能够被消灭。黑洞信息悖论就此诞生。

几十年来,物理学家一直在努力解决这个悖论。霍金曾以为是黑洞炸毁了信息,向量子力学提出了质疑。其他人并不赞同这一观点。毕竟,霍金的想法源自于他本人对融合广义相对论和量子力学所做的测验——这一数学壮举本身的通俗迫使霍金必须要作一些近似才行。普瑞斯基尔乃至和霍金打赌,押黑洞不会炸毁信息。

有几个论据指出,霍金错了。最令人信服的一个论据,来自于这样一种思考——蒸腾中的黑洞变得越来越小会发作啥?若是信息无法逃逸,也无法被炸毁,就会有越来越多的信息被储存在越来越小的体积之中。侯海洋基层风云 可是,若是是这样的话,量子理论预言,无论在哪里,只要物质之间发作碰撞,发作一个微型黑洞的概率就会从几乎为零提高到无穷大。“你大概会在大型强子对撞机里看到黑洞,也大概会在费米试验室里看到黑洞,还大概在上世纪30年代那些房间那么大的粒子加速器里看到黑洞,”美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的理论学家唐·马罗夫(Don Marolf)说,“乃至当你在草地上跳来跳去时,你也大概看到黑洞才对。”

显然,这些并没有发作。而另一种能够性,即物质和它携带的信息能够从黑洞中走漏出来,则是不太能够的。任何落入黑洞的物质都必须要以超光速运动才能逃脱黑洞可怕的引力。

也许,答案就藏在霍金辐射之中。它或许并没有那么随机。“常见的一个反应是,霍金只不过是大意了,”同在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的约瑟夫·波尔钦斯基(Joseph Polchinski)说,“信息并没有丢失,只是霍金没有一直追踪它们到底。”

然而,试图解决这一悖论的一切早期测验,都被证明是不成功的。波尔钦斯基说:“霍金发现了一个真正深刻的疑问。”

霍金后来在2004年改动了主见,部分原因在于阿根廷物理学家胡安·马尔达萨纳(Juan Maldacena)所作的研讨。他承认,黑洞最终没有炸毁信息。他向普瑞斯基尔实现了赌注,送给他一本棒球百科全书。普瑞斯基尔曾将棒球比喻成一个黑洞,由于它们都很重,并且从中获取信息都要颇费一番功夫。

进入深渊

物理学家的注意力很快就搬运到了信息如何逃离黑洞上来。这个疑问并不容易回答。正是在探究这些疑问的过程中,新的黑洞火墙悖论成了人们重视的焦点。

若是信息真从黑洞中逃逸出去,会发作啥事情?一些物理学家对此已经猜测了很久,但即便是对他们而言,火墙也仍是一个有目共睹的新名词。要了解它的含义,咱们需求简单描绘一下霍金辐射。侯海洋基层风云 空无一物的时空会不断地构成虚粒子对,从虚无中突然冒出来,又同样迅速地消失。这种情况在黑洞的事情视界附近会发作改动,由于对于掉入黑洞的任何东西而言,事情视界是一去不归的界线。偶然,虚粒子对中有一个被吸入黑洞,另一个则逃逸出去。正是这些逃离黑洞的罕见粒子,构成了霍金辐射。

【真空中不断构成的虚粒子对又会在刹那间湮灭,但在黑洞的事情视界附近,情况会有所不同。成对构成的虚粒子中的一个落入黑洞,剩余的另一个则逃逸出去,构成了霍金辐射。图像来历:xs1234.com】

现在,若是霍金辐射带走了量子信息,就会发作一个疑问。霍金最伟大的洞见就是,他证明了量子理论、广义相对论和热力学如何与黑洞全都联系在一起。这意味着,虚粒子对中落入事情视界内侧的那一个粒子能量会变得极高,足以把信息传送给黑洞外部的同伴粒子,由此它们便构成了一道火墙,炽热得足以焚毁任何落入黑洞的人或物。

这与广义相对论通知咱们的黑洞特性严重相左。事实上,这样的火墙看上去是如此荒谬,以至于物理学家已经着手寻找其他方式,让黑洞无须“违规”即可向外传递信息。

美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的史蒂夫·吉丁斯(Steve Giddings)已经提出了一种能够性。他在美国俄亥俄州立大学萨米尔·马瑟(Samir Mathur)所作研讨的基础上,提出了一个简单的黑洞模型。他的研讨表明,若是量子理论在事情视界附近失效,黑洞内部的信息就有能够传送到遥远的外部区域,从而避免构成火墙。

疑问在于,为了让这个模型能够奏效,吉丁斯不得不背弃“信息传播不能快过光速”这一禁忌。另一个疑问是,他无法确切指出,量子理论大概在时空中的啥方位失效。尽管如此,这仍是一个诱人的想法。

于是,波尔钦斯基和他的学生——艾哈迈德·阿勒姆赫伊利(Ahmed Almheiri)和詹姆斯·萨利(James Sully)也投身到了其中。他们当时以为,把吉丁斯的模型和美国斯坦福大学伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)所作的早期研讨结合起来,他们就能破解这一难题。

这意味着,他们要改造这一黑洞模型,让它能够与萨斯坎德提出的3个假定保持一致——这些假定被许多物理学家所珍爱。其中一个假定自然是,信息不会随着黑洞的蒸腾而丢失。其他假定则与一些思维试验有关,涉及到两位正在接近黑洞的观测者,一个名叫爱丽丝,另一个叫鲍勃。英勇的爱丽丝越过了黑洞的事情视界,谨慎的鲍勃则呆在外面。

根据第2个假定,呆在黑洞外面的鲍勃不会看到任何不寻常的东西。第3个假定则是,爱丽丝在穿过事情视界时也不会看到任何怪异的事情。这是由于事情视界并非一个物理边界,它只是轻微曲折的普通时空中一块普通的真空区域算了。

波尔钦斯基及其搭档调和全部3个假定的测验没有成功——若是信息不丢失,火墙就仍然会存在,爱丽丝则会被烧成灰烬。但失败并没有让他们泄气。波尔钦斯基说:“你先测验去做某件事情,若是失败了,那还能够试着去证明,这件事不能够成功。”

他们的搭档马罗夫也加入进来,展开了这项新的测验。2012年7月,他们宣布了一篇论文,证明这3个假定无法一起成立(参见arxiv.org/abs/1207.3123)。这引发了一场争论风暴:已经有40多篇论文在讨论这项研讨,其中一篇以为他们的答案忽略了引力。

相对论惨败

若是霍金辐射确实把量子信息带出了黑洞,就像许多人以为的那样,那么量子力学对此就有话要说。比如说,在黑洞构成之初通过霍金辐射逃离黑洞的粒子A,量子理论预言,它会跟不知道多久之后逃出来的另一个霍金辐射粒子存在某种鬼魅般的关联,也就是量子羁绊。

现在,想象一个粒子B,它发作的时间要远远晚于A。粒子B是黑洞视界上构成的粒子对中的一个,另一个粒子C已经落入了黑洞。假定视界处的时空没有什么特殊,只具有轻微的引力和较小的曲率,这就使得视界处构成的虚粒子彼此会羁绊在一起。侯海洋基层风云 。因而,B一定与C羁绊。可是,由于早期的霍金辐射一定与后来的霍金辐射相羁绊,因而B与A也相互羁绊。可惜,这违背了量子力学中另一条被物理学家珍爱的原则,被称为量子羁绊的专一性。简单来说,粒子B能够与A羁绊,也能够与C羁绊,但不能跟两者一起羁绊。

于是,这个难题兜了一圈又回到了原点。若是咱们想把信息弄出黑洞,A就必须与B羁绊。若是咱们要让事情视界处的时空没啥特殊,能够让爱丽丝掉入黑洞而不被烧成灰烬,那么B就一定与C羁绊。必须得抛弃一些东西才行。那么,该被抛弃的,会是量子力学,还是广义相对论?

先看量子力学和它预言的信息守恒。它们会是错的吗?波尔钦斯基以为这不能够,由于马尔达萨纳的研讨工作是最强有力的数学论证之一,撑持量子力学保持原样不变。更重要的是,量子力学是一个已经经受过极端严格检验的理论,即便是纤细的改动也会使它偏离试验结果。

另一个选择是,质疑黑洞视界处真空的状况。若是视界两侧的粒子B和C不再羁绊,量子羁绊的专一性就不会遭到损坏。可是,损坏这种羁绊会让黑洞的事情视界处于某种动荡不定的热力学状况,重新造成了一道火墙。于是,爱丽丝非但不会毫无预兆地飘过视界,反而会被高达1032开尔文的高温刹那间焚成灰烬。

这让马罗夫感到沮丧。广义相对论以为,穿越黑洞的事情视界大概没有啥大不了才对。“火墙会严重违背广义相对论,”他说,“在广义相对论和量子力学的这场奋斗中,广义相对论输得很惨。对此我感觉相当不爽,由于我觉得自个是一个受过正规练习的相对论主义者。”

【在黑洞火墙悖论这个疑问上,爱因斯坦的广义相对论似乎又一次遭遇惨败。在这个疑问的前身——黑洞是否会炸毁信息上,霍金也赌输了一本棒球百科全书。图像来历:blogspot.com】

新思维

对这一点感到不爽的,不止马罗夫一人。“你正在非常平滑的时空中相当自在地向前滑行,然后突然之间,砰的一声!你撞上了这道火墙,被烧成了灰烬,”普瑞斯基尔说,“这实在太疯狂了。”

尽管如此,若是黑洞能把信息传递给霍金辐射,火墙仍然是最好的解释。萨斯坎德对火墙仍有置疑,但他以为,火墙能够代表着奇点向视界的迁移,而在传统的黑洞物理学中,奇点位于黑洞的中心。

即使火墙真的会构成,对于它们会在何时构成,萨斯坎德也有不同的意见。对于一个半径与质子相当的黑洞,波尔钦斯基、马罗夫及其搭档以为,火墙会在黑洞构成后的10-20秒构成,而在萨斯坎德看来,构成火墙所需的时间将像世界的年龄相同绵长。

无论火墙何时构成,只要它们出现,咱们所知的时空就会在视界处完结。马罗夫说:“若是整个黑洞视界变成了这样一道火墙,截断了黑洞的内部,那么黑洞的内部或许就底子不存在了。”

若是黑洞附近的时空具有某些特殊性,导致信息能够超光速传播,那么这个悖论也能够得到解决。或许吉丁斯和马图尔会意识到它的重要性,尽管对于相对论而言,这会是又一个打击。

故事的结局是,在霍金提出黑洞信息悖论近40年之后,疑问依然挥之不去。它迫使物理学家更深入地审视起他们的理论。然而,就像波尔钦斯基所说,“我跟20年前相同困惑”。

普瑞斯基尔说,这不是一件坏事。“总会有第4种能够性:以上答案都不对,而是某种咱们还没有想到的东西。无论它撼动下来的是啥,结果都是有趣的,”他说,“一切选项都够疯狂,这正是这一局势如此美妙之处。”

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来自:physicalman  > 量子力学
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