物理学上充满了悖论（有时称佯谬），这些悖论总是与我们对大自然本质的理解，什么时空啊、因果关系啊等等联系在一起，构成了独具魅力的一道风景线。
悖论历来还是物理学革命的发祥地。譬如说，爱因斯坦的狭义相对论就源于19世纪末的以太悖论。按照经典力学，以太充满空间，无处不在，所有物体都相对以太运动，以太自己则绝对静止。地球相对以太运动，却没有因以太的阻力而变慢，这说明以太非常稀薄，非常“柔韧”；与此同时，光需要借助以太传播，光速这么快，又分明需要以太非常致密，质料非常“坚硬”。以太的两种性质是难以调和的，再加上其他实验上的一系列矛盾，最终导致爱因斯坦放弃以太，建立了一套全新的时空观。
既然物理学悖论如此重要，本文就承接上篇文章，来详细谈谈与霍金有关的黑洞信息悖论和火墙悖论。
根据“霍金辐射”，随着黑洞蒸发殆尽，黑洞所包含的信息就被毁掉了。然而，这与量子力学的一项核心原则相冲突，这项原则说：宇宙中的信息是不可摧毁的——这就是黑洞的信息悖论。
这个悖论里虽然没出现新的猫啊、妖啊，但也够揪人心的。因为它涉及现代物理学的两位“大佬”——广义相对论和量子力学，而发生地点又在在宇宙中最怪异的天体——黑洞上。
初初一看，黑洞的信息悖论好像与广义相对论不相干，完全是量子力学自家“兄弟阋于墙”：因为矛盾的一方霍金辐射是量子效应，而矛盾的另一方“信息不可摧毁”也来自量子力学自身的要求。
其实不然。这个悖论的焦点不在于有没有霍金辐射，而在于霍金辐射是不是杂乱无章。只要承认霍金辐射不是杂乱无章的，那么它就可以携带信息，即使黑洞蒸发了，也不会造成信息丢失。而“霍金辐射是杂乱无章的”这个结论是基于广义相对论计算得出的。所以说到底，黑洞信息悖论还是广义相对论和量子力学冲突的结果。
面对这一悖论，物理学家分成了两个阵营：一派以霍金为代表，认为在黑洞蒸发殆尽时信息真的会消失，如果说这与量子力学矛盾，则需另建更好的量子理论。另一派以霍金的好友、量子物理学家约翰·普利什基尔为代表，他们坚持站在量子力学这一方，认定信息不会丢失，广义相对论必定在什么地方错了。普利什基尔甚至为“黑洞的信息会不会毁掉”跟霍金打赌。
这是1974年的事，估计那个时候大多数读者还没出生呢。但到2004年，霍金向普利什基尔认输了，并兑现了赌注，送给他一本棒球百科全书。普利什基尔曾将棒球比喻成一个黑洞，因为它们都很重，从中获取信息都要颇费一番功夫。
说服霍金缴械的是阿根廷物理学家胡安·马尔达萨纳的一项重要成果。
在更早之前，有人即已证明：任何三维的宇宙都可以在这个宇宙的边界上等价地描述出来。这就好比皮影戏，影子的移动反映了傀儡的活动（当然，在皮影戏里，影子的世界和真实傀儡的世界并不等价）。这里“等价”指的是包含的信息相同，至于具体如何描述则无关紧要。好比中英文互译，只要意思准确，没有添加，也没有遗漏，就可说得上忠实，至于词汇、语法等细节，译文和原文肯定是有变化的。
这个理论叫做“宇宙全息论”。我们都知道，二维的激光照片是全息的，因为它能忠实地反映三维物体的形状。宇宙全息论的意思好比说，如果宇宙是个蛋，那么蛋壳里就已经包含了它的全部信息。
马尔达萨纳提出一个由基本粒子和黑洞组成的三维宇宙模型，与现实不同的是，这个假想的宇宙里只有万有引力这么一种基本作用力（我们知道，真实的宇宙有4种基本作用力）；然后根据全息的要求，他把这个三维宇宙转化成等价的二维宇宙。妙就妙在这个二维宇宙中，只要粒子遵循量子法则，无需引入万有引力，就能实现全息的目的。既然在等价的二维世界里信息不会丢失，那么我们就可以肯定地说，在有黑洞的三维世界，信息也一样不会毁掉。
这个道理就好比说，有一本外文小说，我们虽然看不懂，不知道结局如何，但我们知道有这么一个忠实的译本，在译本里，小说主人公最后没死，那么，我们就有把握地说，在原著里，主人公也肯定没死。
既然我们现在可以肯定，黑洞包含的信息是不会丢失的，那么在什么情况下才能保证黑洞在蒸发的同时，信息不会被毁掉呢？
那就只能认为，霍金辐射并非真如霍金所说，是不携带任何信息、杂乱无章的。换句话说，霍金辐射的粒子之间存在着某种关联。这就好一列队伍，只要每个队员与前后左右的队员保持同样的间距，队列就可以形成井然有序的方阵。
那么，霍金辐射粒子之间会是一种什么关联呢？大家不约而同地想到粒子之间被爱因斯坦称为“鬼魅似的”量子纠缠。
什么是量子纠缠？举个例子。有一个粒子，它的自旋为零。现在它一分为二，变成了两个粒子。因为角动量守恒，这两个粒子中倘若一个顺时针旋，另一个必定逆时针旋；接下去，把两个粒子分开，比方说一个在地球上，另一个在10亿光年之外。如果我们通过某种操作把地球上那个顺时针旋的粒子改为逆时针旋，按理说，另一个粒子至少要过10亿年才能感知地球上这个粒子的变化，——因为信息的传播需要时间嘛。可事实并非如此。只要地球上这个粒子一变化，另一个粒子立刻就能“感觉”到，并把自己的状态做相应的调整，使得两粒子体系始终保持角动量守恒。
量子纠缠实际上就是一种超距作用，通过这种方式，一个粒子的影响可以瞬间抵达空间任何地方，仿佛距离远近对它们没有任何影响。
量子纠缠是相对论无法解释的，但它确实存在。比如科学家正在研究利用量子纠缠来远距离传递信息。此外，甚至在植物的光合作用、鸟类眼睛感知地磁场这类事情上，都有量子纠缠参与。
现在回过来看，霍金辐射中的量子纠缠又是什么意思呢？是这样：假设此刻黑洞辐射出一个粒子A，下一刻又辐射出一个粒子C，那么A和C不应该是独立、没有关联的，而应该存在量子纠缠。至于两个粒子是怎么纠缠上的，我们暂时不去考虑。
这个想法虽好，但一波刚平，一波又起，没想到引出一个新的麻烦。这个麻烦就是“黑洞的火墙悖论”。
事情还是跟量子纠缠以及霍金辐射有关。我们前面提到，真空中产生于黑洞视界边缘的一对虚粒子，若其中一个被吸入黑洞，另外一个则将逃离黑洞，形成所谓的霍金辐射。假设这对虚粒子是A和B，B掉进了黑洞，而A逃离了黑洞。此刻，霍金辐射的粒子是A。下一刻，又产生一对虚粒子C和D，D掉入黑洞，C逃离黑洞。此刻，霍金辐射的粒子是C。根据霍金辐射必须携带信息的要求，粒子A和C存在量子纠缠。
让我们再来看原先的两对虚粒子A和B，C和D。因为它们是从真空中产生的，也需要满足一系列守恒的要求，所以它们之间事实上也是有关联的，——换句话说，存在量子纠缠：A和B是一对纠缠粒子，C和D又是一对纠缠粒子。即使后来B和D都掉入黑洞（也就是进入黑洞视界里面去了），但因为黑洞的视界并不是实体的东西，而是一个无形的界线，那里除了引力强度跟周围空间稍有差别之外，没有任何特别之处，所以纠缠不应该受到破坏。换句话说，哪怕B和D都掉入了黑洞，A依然和B纠缠，C依然和D纠缠。
如此说来，A同时既要跟“孪生粒子”B纠缠，还要跟后续的粒子C纠缠。可是，量子力学的一项规则是：纠缠必须是“专一”的，一个粒子不能同时跟2个或2个以上的粒子纠缠。所以，A要么只能跟B纠缠，要么只能跟C纠缠，不能同时既跟B，又跟C纠缠。
如何解决这个矛盾呢？看来A要“忍痛割爱”，必得牺牲掉一个纠缠关系才行。由于黑洞信息悖论的解决有赖霍金辐射粒子之间的纠缠（即A和C的纠缠），所以大多数物理学家选择牺牲A和“孪生粒子”B的纠缠关系。换句话说，一旦B越过黑洞视界，A和B的纠缠就剪断了。
可是，我们已经说过，黑洞的视界并不是一堵实体的墙壁，它跟周围的空间相比，其实并没有特别之处。譬如说，假如一个人掉进黑洞，当他越过视界时，自己根本毫无感觉。所以，黑洞的视界凭什么能“棒打鸳鸯”，把A、B之间的纠缠拆散呢？这岂不违反了广义相对论的等效原理？
可是很多物理学家在这种情况下，宁肯违反广义相对论，也不愿跟量子力学对着干。他们决定在黑洞视界上剪除“孪生粒子”之间的纠缠关系。因为打破粒子之间的量子纠缠，就好比打破分子键一样，要释放出能量，而黑洞视界“粗暴”地切断了大量粒子对之间的量子纠缠，所以产生的能量十分巨大。这样一来，黑洞视界就变成了空间一个很特别的地方，那里的温度甚至高达1032K，像一个火焰圈，将烧掉任何掉进去的东西。
这个黑洞火墙的假设看起来很荒谬。“火墙凭空出现在太空中，这种可能性并不比一堵砖墙凭空出现撞到人们脸上的可能性更大，”有人这样评论道。但要是不做这个假设，就不得不承认量子力学有错，而在我们这个量子力学所向披靡的时代，在很多物理学家看来，要承认量子力学有错似乎更疯狂、更难以接受。
让我们暂且先接受这样一堵火墙的存在吧，接下去来看看，它会对我们原先有关黑洞的印象造成哪些冲击。
原先说，黑洞中心有一个密度无穷大的奇点，在那里，所有物理学规律统统失效；除了这个奇点很特别之外，黑洞倒也没什么与众不同之处。但现在，除了奇点，黑洞在视界上也很特别。在视界上，至少原先行之有效的广义相对论就不适用了。如果广义相对论在黑洞视界上碰了壁，宇宙学家们就不得不怀疑，它在其他地方还能不能完全适用。
还有，原先说，假如一个人掉入黑洞，他对越过黑洞视界毫无所觉，直要到他离黑洞奇点足够近，才会感觉到一股头脚分离的拉扯力，——这是因头和脚离黑洞中心有一个人身高的距离差，在黑洞这么个引力极强的地方，这个距离所产生的引力差是很大的，由此产生一股拉扯力。但根据现在的这个理论，当你朝着黑洞中心“优哉游哉”地下落时，突然之间，没有任何预兆，“砰”的一声，你撞上了这道火墙，被烧成了灰烬。
这还是随手掂来的两个例子。事实上，在过去半个多世纪里，黑洞研究已经积累下丰富的成果，但现在一切都要重新检验。譬如有一种极端的看法认为，只要黑洞火墙出现，我们所知的时空就会在视界处终结。这样一来，再讨论藏在黑洞中心的奇点就没什么意义了。
所以，黑洞火墙悖论的出现，让几家欢乐，几家忧愁。事实上，有些物理学家已经着手寻找其他替代理论。
比如，提出火墙的物理学家认为，黑洞火墙是黑洞与生俱来的。但有人对此提出不同看法，认为黑洞形成火墙所需的时间极长，甚至比现在宇宙的年龄还长。这事实上就把黑洞火墙从现实中排除掉了。
故事的结局是：故事至今没有结局。在霍金提出黑洞信息悖论近40年之后，物理学家仍在量子力学和广义相对论的冲突中，进退维谷，左右为难。当然，这未必是一件坏事，这个悖论或许正孕育着一场新的物理学革命。
在正文中我们提到，“黑洞火墙悖论”源于“黑洞的信息悖论”。虽然按物理学家的思路，我们不得不接受这个结论，但这堵凭空冒出来的火墙还是怪别扭的。所以，大家都在研究如何既能解决黑洞的信息悖论，又不必“撞”到一堵火墙上。最近，有科学家运用圈量子理论取得了进展。
我们知道，广义相对论把时空看成连续的，所以黑洞中心的体积可以无限缩小，这样一来就导致出现一个密度无限大的奇点。而量子理论则认为：空间是不连续的，像石榴一样是颗粒状的。长度有一个最小的极限，大约10-33厘米，叫普朗克长度；与之对应，面积、体积也有极限，分别叫普朗克面积和普朗克体积。此外，时间也有最小的极限，那就是光穿过1普朗克长度所需要的时间。
根据量子理论，圈量子理论的提出者认为，既然黑洞中心小到普朗克体积就不能再小下去了，那奇点自然就不会产生了。2009年，还有人用圈量子理论研究宇宙膨胀，声称宇宙膨胀到一定程度就要往回收缩，收缩到一定程度又要膨胀，如此周而复始，循环不息。这就是所谓的“宇宙大反弹模型”。
物理学家把圈量子理论用于单个黑洞时发现，刚开始正如大家所预料的，越靠近黑洞中心，引力越强，但出乎意料的是，强到一定程度，引力反而减小下去了。这说明，靠近黑洞中心到一定程度，物质密度反而减小了，甚至正当中可能是空无一物的小孔，这个小孔通向另一个宇宙。
如果黑洞中心真的通往另一个宇宙，那事情就好办了。黑洞的信息或许会通过一条“时空隧道”漏到另一个宇宙中去。哪怕一个黑洞在我们的宇宙中蒸发殆尽，即使霍金辐射不携带信息，信息也照样不会被摧毁。而从正文中知道，我们只要不强求霍金辐射携带信息，也就不会招惹来怪怪的“火墙悖论”了。
联系客服
