利维坦按：关于黑洞的迷思其实已有逾百年的历史，最早的概念由德国天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）在1916年通过计算爱因斯坦引力场方程得出“一个不可思议的天体”，随后被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）命名为“黑洞”。
霍金在1974年加入了关于黑洞的讨论。他所提出的“黑洞蒸发理论”推翻了前期对于黑洞“只进不出”的认知，认为黑洞也可以向外发射物质。从这一时间点一直到2014年霍金发文声称“黑洞不存在”，期间黑洞理论遭受了各种形式的矫正（详见下文），至今依旧没有定论。
（www.nature.com/news/stephen-hawking-there-are-no-black-holes-1.14583）
在情感上，我们对这位科学巨匠的逝去表示惋惜。但在黑洞的探索进程中，霍金只是试图解决问题的人中较为著名的一员，在没有得到一致认可的观点之前，所有观点与理论都有被怀疑的必要。因此我们无法指望如此一个巨大的谜团在几十年内得到答案，真正解决问题的人可能还没有出生。
文/Jennifer Ouellette
译/斩光
校对/兔子的凌波微步
原文/www.quantamagazine.org/stephen-hawkings-black-hole-paradox-keeps-physicists-puzzled-20180314/
本文基于创作共同协议（BY-NC），由斩光在利维坦发布
1979年，霍金在新泽西州普林斯顿。图源：Santi Visalli
今天（编者注：本文发表于2018年3月14日），英国著名物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）逝世了，享年76岁。他生前是个爱打赌的人，经常与同事就理论物理学中的关键问题打上几个不失友好的赌。“我第一次碰到霍金时，我就注意到他挺喜欢别人对他进行挑战的，” 加州理工学院的物理学家约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）今天稍早些时候在Twitter上写道，“所以在一次科学讨论中，我突然打断他，‘你怎么能这么肯定呢，万事通先生？’他果然眨了眨眼皮，回应道：‘想打个赌吗？’”
说打就打。1991年，霍金和基普·索恩（Kip Thorne）为一方，普瑞斯基尔为另一方，打了个赌：霍金方认为掉进黑洞的信息都被毁灭了，永远不可能逃出来。这个观点被称之为黑洞信息悖论，是从霍金在1974年有关黑洞的一项重大发现推论出来的。黑洞是引力强大到光都不可逃脱的区域，这片区域的时空围绕着一个中心点急剧扭曲，此中心点就是“奇点”。
霍金在1974年发现，黑洞不是真的纯黑一片。量子不确定性会导致黑洞辐射出少量热量，即“霍金辐射”。在这个过程中，黑洞损失了质量，并最终会导致其蒸发到完全消失。这种蒸发带来了一个悖论：任何掉进黑洞的东西看似都会彻底消失，这违反了“幺正性”（unitarity）——量子力学中的一个中心原则，认为现在的量子态总会保存有关过去态的信息。（译者注：就是下文所说的，信息不能毁灭。）
图源：NASA/Goddard Space Flight Center/CI Lab
霍金和索恩争论到，仅从原理上来说，黑洞发射出的辐射将被严重地扰乱，从而使人无论如何都不能从中获取任何有关掉进了黑洞的物质的信息。普瑞斯基尔则打赌信息一定会经由某种方式逃出黑洞，尽管物理学家大概会需要一个完备的量子引力理论来理解这种方式背后的机制。
物理学家在2004年发明了“黑洞互补性”（black hole complementarity）概念，并自认为解决了这一悖论。根据这个设想，穿越黑洞视界（即黑洞的边界）的信息既会反射回来，也会穿越进去，但绝不会消失。但因为任何一个观察者都不能同时身处黑洞视界的内部和外部，所以也不会有人能同时见到两种情形发生，那么就不会有矛盾产生。
这条论据强大到让霍金确信自己输掉了赌局。2004年，在爱尔兰都柏林的一次演讲中，他当场赠送给普瑞斯基尔一本第八版《棒球大全：终极棒球百科》（Total Baseball: The Ultimate Baseball Encyclopedia）——“信息能够随心所欲从中恢复出来”。
图源：Giphy
然而索恩却拒绝认赌服输，而且似乎他还做对了。2012年，有关这个悖论再起波澜。没人能够精确解释信息究竟是如何从黑洞中逃出来的，这一理论上的空白激发约瑟夫·波尔钦斯基（Joseph Polchinski）和三位同事再次研究这个问题。传统理论长期以来都认为，人们一旦穿越视界，就会在他们掉向奇点的过程中，慢慢地被极端强大的引力拉扯成碎片。波尔钦斯基和同事却认为，下落的观察者在视界上就会遭遇一道真实的火墙（能量幕帘），把他们烧得灰飞烟灭，根本不用等到靠近奇点时才被扯碎。
火墙谜题的核心隐藏着物理学三条基本假设的冲突。第一条是爱因斯坦广义相对论的等效原理：既然人们完全无法区分引力导致的加速度和火箭导致的加速度，那么名为爱丽丝（Alice，Alice和Bob是信息领域的常用黑话，指一对儿传递信息的人）的宇航员在穿越视界时根本不会感受到任何异常。第二条是量子力学幺正性，它意味着信息不能毁灭。最后一条是局域性，认为发生在空间中某一特定地点的事件只能影响附近的区域。这意味着物理学定律只能在远离黑洞的区域按照预期正常运作，但一旦进入黑洞就会分崩离析——甚至不只是在奇点，在视界上就会失效。
为了解决这个悖论，我们必须牺牲以上三条基本假设中的一条，但大家却在砍掉哪条上达不成一致。最简单的解决方案是让等效原理在视界上就失效，从而导致火墙的产生。但随后几年里，又有人提出了其他几种可能的解决方案。
图源：Metro
例如，就在火墙那篇文章发表几年前，俄亥俄州立大学弦理论家萨米尔·马瑟（Samir Mathur）就提出了一个类似的理论，用他的话讲是“黑洞毛球”。毛球黑洞不像传统黑洞那样是个空空如也的深渊。它纯粹是一个填满了弦（就是弦论里说的那种弦）的球，像恒星或行星那样拥有一个表面。它也会以辐射的形式发射热量。而且，马瑟发现，这种辐射的频谱与霍金辐射理论推导出的完全符合。他的“毛球假想”宣告这个悖论完全是无本之木，从而解决了它——如果根本没有视界的话，信息怎么会在视界另一边消失呢？
2014年1月末，霍金在科学论文预印本文库arxiv.org上发表了一篇仅有两页、没有方程的论文，以此加入了火墙辩论。2003年春天，他通过Skype在一个小型会议上发表了非正式评论，而这篇论文就是这些评论的合集。
戴维·卡普兰（David Kaplan）探索物理学中的一个最大之谜：广义相对论和量子力学的明显矛盾。摄像：Petr Stepanek。编辑和动画：MK12。音乐：Steven Gutheinz。
他的思路与马瑟相似，提出了一种对视界本身的再思考。与其说天空中有一道绝对的分界线，这条边界之上的什么东西都不能逃脱，霍金提出，那里其实可以是一道“视表面”（apparent horizon，用以替代原来的视界概念，可以想象成一个很大的球状外壳。因此在霍金2014年的理论中，不存在视界，因此也不存在因为视界产生的悖论，不存在传统概念上的黑洞）。信息只是暂时被束缚在这道界线里，最终仍会逃脱，但逃脱时却被严重扰乱了，人们无从破解。他用天气预报作类比：“谁也不能提前好几天预报天气。”
这时候，黑洞与霍金辐射粒子成为一体，黑洞就是这么一个章鱼一般的结构。
2013年，两位理论物理学家，斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）和普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）做了一次保存局域性原理的激进尝试，他们猜测“ER=EPR”（虫洞=量子纠缠）。根据这个思想，我们以为的时空中相距甚远的两个点或许并不真的那么远。或许量子纠缠能制造出不可见的微型虫洞，把看似相隔很远的点连接起来。这种长得有点像章鱼的虫洞会把黑洞内部直接连接到霍金辐射粒子，那么仍然处于黑洞内部的粒子就会与早已逃逸的粒子直接连接起来，从而使信息不必穿越视界。
物理学家至今也没有在上述任何一个理论上达成一致。在霍金首次提出黑洞信息悖论的几十年后，物理学家们仍然在继续就此发生争论，这无疑是对这位独一无二的天才的最好的祭奠。
译后补充：
这文章实在不友好，太高屋建瓴了。经过一番查阅，整个逻辑链条是这样的：
信息不会丢失；信息不可克隆；量子纠缠只能是一对一的。
信息进入黑洞，黑洞会因为霍金辐射蒸发到消失，那么信息就丢失了，产生矛盾。
那么信息去了哪里？随着霍金辐射出来了吗？
如果信息随着霍金辐射出来了，那么进入黑洞内部的观察者会看到一份信息，黑洞外边的人也会看到一份信息，那么信息就克隆了，产生矛盾。但黑洞互补原理认为，因为黑洞内外的观察者无法交流，所以不会有矛盾。
此时考虑霍金辐射的量子机制。凭空涨落产生一对纠缠粒子A和B，A进入黑洞，B逃出。B若要传递信息，势必与已经逃出的所有粒子构成的系统C纠缠起来，那么B就同时与两个系统纠缠，产生矛盾。
为解决这一矛盾，在B逃出时，必须与A解开纠缠，这就需要大量的能量，所以视界外必须有一道高等粒子组成的火墙，来把A和B的纠缠打断。但这么一来，掉进黑洞的宇航员就会被烧死，这跟广义相对论所预言的穿越视界“感觉毫无异常”相悖。
由此，物理学家给出了本文的三种理论。黑洞毛球论：不存在视界，黑洞就是一团弦。黑洞不存在论：没有视界，只有一个看起来像是视界的东西，它只是把信息暂存，之后会慢慢放出，但放出的方式是混沌的，没有实际价值。ER=EPR：黑洞与霍金辐射粒子同在，同属一个结构。
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