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世纪之争:量子物理学解决了「黑洞悖论」

在黑洞内部,20 世纪物理学的两大理论支柱似乎发生了冲突。现在,一群年轻的物理学家认为,他们通过诉诸新世纪的中心支柱——量子信息物理学,已经解决了这一冲突。

2013 年 8 月,数十位著名理论物理学家齐聚加利福尼亚州圣巴巴拉,讨论一场危机:他们对黑洞的微弱理解正在瓦解。从远处看,就像通过望远镜一样,黑洞的行为应该与行星、恒星或任何其他基本粒子的集合体一样。但是,如果物理学家们相信阿尔伯特·爱因斯坦的研究成果,就像他们中的大多数人所相信的那样,那么当他们从黑洞边界内的人的视角来观察黑洞时,就会出现不可能的结果。

一个思想实验加剧了这种观点的冲突,突然结束了那些认为外部观点是基本观点的人与那些关注内部观点的人之间长达二十年的停战。突然之间,所有神圣不可侵犯的物理信仰都成了争论的焦点。思想实验的幕后推手绝望地提出,黑洞内部可能根本不存在:时空在黑洞边缘的尽头就是一堵真正的火墙。

作为这种想法的延伸,一位与会者甚至开玩笑地说,这个悖论似乎暗示着已知的物理定律可能会无处不在、无时不在地崩溃。对此,斯坦福大学的计算机科学家、物理学家Patrick Hayden评价道:“大家都在集思广益。人们愿意大胆提出疯狂的想法,这令人震惊。”

经过又一个十年的争论和计算,现任麻省理工学院高级物理学家的Harlow相信,他和一个新晋理论家团队终于找到了方法,或者说至少找到了一种方法,可以将外部和内部的观点统一起来:在此过程中,他们在相对论和量子理论的交战世界之间建立了某种缓和关系。他们的决议将量子信息论的遥远想法和 2019 年的突破性计算交织在一起,是一次令人头疼的、来之不易的尝试。

斯蒂芬·霍金预言黑洞会发出辐射,引发了一场持续了 50 年的争论。

虽然他们的程序目前只适用于黑洞的简易画面,但它捕捉到了坍缩恒星的许多奇特特征。如果它适用于真正的黑洞,那么它将最终回答一系列经典的黑洞问题:从宇航员掉入黑洞时会经历什么,到其分子排列中包含的信息的最终命运。

加州大学伯克利分校物理学家Geoff Penington是这项新研究的贡献者之一,他说:“这在某种程度上代表了一场革命的结束,而不是开始。”

具有讽刺意味的是,这一研究小组提出,人们熟悉的物理定律在黑洞内部确实会崩溃:也许无处不在、无时不在;但它们是以一种以前未知的方式发生的,这种方式太微妙了,以至于没有人注意到。其根本原因不是来自物质或时空的限制;相反,它来自关于复杂性的争论——大量量子信息所蕴含的、本质上永无止境的可能性。

在一场研讨会上,霍金从剑桥大学的办公室通过Skype,在一个巨大的投影屏幕上,为 “黑洞内部空间和时间仍然存在”这一观点进行了辩护。他首先说道:“不久前,我写了一篇论文,引发了一场争论,这场争论一直持续到今天。”

这场争论的焦点是,黑洞似乎是宇宙中最伟大的消失“行为”的舞台。

1974 年,霍金计算出,在事件穹界周围,量子波动会产生成对的粒子。其中一个粒子落入黑洞,另一个粒子则逃出黑洞。随着时间的推移,这对粒子在黑洞内和黑洞外都会堆积起来,并在黑洞外形成一团不断膨胀的“霍金辐射”。

问题开始于这样一个事实:根据量子力学,每对“搭档”都通过纠缠联系在一起,这意味着两个粒子共同携带一个信息单位。每个搭档就像一枚硬币的正面,可以用来回答 “是”或“否”的问题。这种单一的“是”或“否”能力被称为“比特”;如果物体能以一种称为叠加的量子组合存在,则称为 “量子比特”。但与硬币的两面不同,纠缠粒子可以分离。尽管如此,如果一次测量发现外部伙伴读数为“正面”,那么另一次测量肯定会发现内部伙伴读数为“反面”。

这似乎与霍金计算的第二个结果相冲突。随着黑洞辐射出粒子,它最终会完全蒸发掉。经过数不清的岁月后,只剩下辐射云。但是,由于每个外部伙伴都与其内部伙伴共享一个比特,因此仅靠霍金辐射就像一个装满单面硬币的储蓄罐一样毫无意义。黑洞内部的信息比特记录了黑洞的生命和所有落入黑洞的东西,但它们似乎消失了:这是一个荒谬的发展。

古老黑洞令人费解的消亡导致物理学家们采取了两种对立观点中的一种,这取决于他们是忠于爱因斯坦的弯曲时空理论(即广义相对论),还是忠于量子力学。霍金多年来一直将赌注押在爱因斯坦身上。霍金认为,如果捕获粒子并擦除它们的比特违反了量子力学关于单面硬币的禁令,那么量子力学就更糟糕了。

其他人则倾向于把他们的心灵之眼留在黑洞之外。他们站在量子力学一边,因为量子力学严格保证了“信息永远不会真正丢失”这一浪漫概念。例如,在焚烧一本日记后,人们可以想象捕捉到烟雾、灰烬和热量,并重建丢失的句子。黑洞可能会比篝火更猛烈地扰乱日记的粒子,但同样的逻辑也适用。如果只剩下霍金辐射,那么文本的信息一定以某种方式泄露到了黑洞中:别忘了爱因斯坦的时空理论要求信息被困在黑洞中。

悖论的最后一点是,霍金的分析发现辐射是完全随机的——没有任何可解码的信息。他的研究提出了两个相互矛盾的结论:黑洞会蒸发(这意味着辐射最终会带走信息),以及辐射不携带信息。这两个结论不可能都对,所以大多数物理学家都认为霍金犯了某种错误。

但他的错误并不明显。霍金通过分析量子场在缓缓弯曲的时空中的作用方式,发现了辐射及其随机性:这是一个经过严格检验的框架,被称为半经典物理学。霍金的半经典方法只依赖于量子力学和广义相对论中似乎无可指责的方面。类似的处理方法构成了大多数现代理论的基础,包括著名的粒子物理学标准模型。

物理学家预计,当引力变得越来越强时,半经典物理学就会动摇,就像在黑洞的事件视界之外,在仍然难以捉摸的黑洞中心所发生的那样。但是,对于大黑洞来说,事件视界本身应该是无害的;一个好奇心强、补给充足的宇航员可能会掉进去,并在中心附近遭遇不可避免的灭顶之灾之前存活很长时间。事实上,在第一个被直接成像的黑洞——M87星系中心的巨大黑洞的视界处,引力并不比地球上的引力大多少。如果霍金做出了错误的半经典假设,那么地球上的其他人也一样。

经过几十年对霍金假定错误的争论,一些物理学家试图促成双方休战。

2012年,四位物理学家出现,将互补性论点付之一炬。Ahmed Almheiri、Donald Marolf、Joseph Polchinski和James Sully:这四位物理学家通常用他们名字的首字母 “AMPS”来称呼他们,详细描述了一个分两步进行的思想实验,让一个观察者目睹黑洞同时在两个地方藏匿信息。

首先,外面的宇航员会拾取黑洞在其 1067 年寿命中发射的每一个粒子。假设信息进入了辐射中,那么一些外部伙伴一定会相互纠缠,使它们具有确定的状态。宇航员对这些粒子进行分析,确认它们是纠缠在一起的。

然后,她潜入黑洞,确认她在外面研究的一些伙伴也与里面的伙伴纠缠在一起。霍金的半经典计算表明,她会发现这一点,这意味着黑洞外面看似公平的两面硬币,里面却隐藏着非法的第三面

AMPS 已经证明,霍金悖论是无法躲避的。他们无奈地站在了黑洞外的量子力学一边,结果却牺牲了黑洞内的空间:也许,黑洞在地平线处设置了一道“防火墙”,将下坠物质蒸发掉,从而阻止任何爱管闲事的宇航员完成实验。“黑洞根本没有内部空间,当你试图跳进去时,你会遇到时空的尽头。”

没有人对这个想法感到满意,社区组织了一系列研讨会,集思广益,最终在圣巴巴拉会议上提出了摆脱困境的办法。

在一片混乱中,Harlow与Hayden——当时的计算机科学家合作,研究宇航员实际进行AMPS实验需要哪些条件。他们把黑洞当作一个量子加密装置:接收可读信息(正常物质),然后吐出看似乱码的信息(辐射)。在这种情况下,我们可以想象用一台机器(类似量子计算机的机器)来解扰信息,从而进行 AMPS 实验,他们发现了一些奇特的现象。

黑洞会将下沉物质彻底粉碎,如果宇航员真的让量子计算机解译辐射,这项任务将耗费数个世纪的时间。由于时间太长,在进度条达到哪怕1%的一小部分之前,黑洞就已经消失得无影无踪了。到那时,宇航员就无法跳进去捕捉内部的外部信息了,因为内部根本就不存在。

Harlow说:“这是一个我们不知道该如何处理的观测结果。10年后,我们终于知道该怎么做了。”

2013 年的研究工作结束后,Harlow将黑洞搁置一边,专注于一个更简单的问题:真空空间(empty space)本身。他开始研究一种被称为反德西特空间(anti-de Sitter space)的不切实际的倒置空间,这种空间也允许两种截然不同的描述,就像黑洞似乎允许的那样。

Harlow回忆说:“如果我对反德西特空间的理解足够透彻,那就会指明前进的方向,回到黑洞。而这的确已经实现了。”

M.C. Escher 1959 年的木刻作品《圆的极限 III》展示了反德西特空间的负曲率。

物理学家对反德西特空间着迷,因为它以一种奇特的方式弯曲,使无限大的空间容纳在有限的边界内。更令人震惊的是,似乎有一种方法可以用生活在边界上的粒子来重新描述反德西特空间中发生的任何事件,而这些粒子所遵循的物理规则是完全不同的。例如,位于反德西特中心区域的太阳系可以被描述为散布在边界周围的粒子集合,这些粒子只服从量子理论,完全没有引力或时空感。

Harlow的主要问题是,边界上的粒子没有时空概念,它们怎么可能捕捉到中心区域行星居民的体验呢?天真地想,我们可能会遇到这样一个问题,即边界事件可能会在瞬间回荡到整个中间区域:在这个地方,效应的传播应该需要时间。由于这个问题,边界粒子和中心时空之间的关系应该是松散的,这样边界的变化就不会立即影响到中间,但也不会松散到边界完全不知道中心发生了什么。

最终,哈洛意识到,一批研究人员已经解决了这个问题。他们根本没有考虑时空结构的问题:他们正在发明量子计算机纠错的方法

为了了解纠错是如何体现这种关系的,请考虑一个将经典的一位信息编码成三位信息的简单方案。表示 1,需要传输 111;表示 0,需要发送 000。即使发生错误,接收器也可以采取多数表决的方式。单个错误不会破坏信息,因为信息包含在所有数字中。信息独立于每个单个数字,但并不独立于整个传输过程-。纠正量子比特(相对于经典比特)中的量子错误需要更复杂的方案,但这两个问题都具有在多个片段之间涂抹信息的特点。2014 年,Harlow与 AMPS 的Almheiri和加州大学圣巴巴拉分校的Xi Dong合作,解释了量子纠错码如何在边界量子比特之间扩散反德西特时空信息。

“Bulk locality and quantum error correction in AdS/CFT”

从左到右:Ahmed Almheiri、Xi Dong和Daniel Harlow。

这个想法的要点如下。把反德西特空间的中心点想象成一个单比特信息,边界粒子就是传输的数位。把边界分成三条弧线。任何一条弧线上的粒子都知道相邻区域内的反德西特点,但它们不知道该区域外的点。没有一条弧知道中心点,这种情况让人联想到没有一个传输数字足以重构信息。

“这有点出人意料。量子信息不仅仅是用来建造量子计算机的。事实证明,这些想法足够重要,量子引力似乎也在使用它们。”

Harlow成功地将这两种观察时空的方法联系在了一起。唯一的问题是,这个框架没有达到预期目的。当时空包含一个黑洞时,量子纠错就失效了。

早在2012年,物理学家就提出了用纠错码解决黑洞内部问题的设想。但是,霍金计算中相互矛盾的观点再一次让他们陷入困境。在事件穹界内部的宇航员会看到无限下坠的辐射伙伴。如果把黑洞想象成一个宇宙硬盘,它的信息容量会在整个生命周期中不断增加。

与此同时,在黑洞的黄金岁月里,宇航员在黑洞外会看到它的体积随着蒸发而不断缩小。为了实现通过纠错使两种视角相等的愿望,Harlow似乎需要一种方法,将不断扩大的内部编码到不断缩小的边界中——这就像要求水手将 SOS(求救)信息融入一个字符的传输中。

麻省理工学院的研究人员Christopher Akers说:“这个故事排除了黑洞的内部。”2016年,Akers还是一名二年级研究生,他受到Harlow一篇有影响力的纠错论文的启发。“这让我觉得很奇怪,所以我花了很多时间思考如何以更好的方式把黑洞包括进来。”

他花了四年时间才找到一种方法,又花了一年时间帮助Harlow说服他这种方法是有意义的。

麻省理工学院物理学家Chris Akers帮助将量子纠错扩展到黑洞内部。

就在Harlow和Akers分别研究黑洞内部的同时,一群研究人员也即将破解黑洞的外部结构。正在崭露头角的英国物理学家Penington就是其中的关键人物之一。

加州大学伯克利分校的Geoff Penington从事量子信息与引力交叉领域的研究。

2015 年,当Penington作为准研究生访问斯坦福大学时,他在攻读博士学位时,在研究量子引力和量子信息之间感到纠结。后来,他遇到了Hayden;两人决定合作。

Penington和Hayden从他们认为是关于不完善纠错码的抽象问题入手,于2017年发表了一篇轰动一时的量子信息论文。那篇论文没有提到黑洞或时空,但第二年,他们把代码带到了反德西特空间。最终,根据同为物理学家的Netta Engelhardt在 2014 年开发的一个公式,Penington逐渐怀疑反德西特空间的一个特定区域正在追踪熵,这个量与黑洞中涌出的纠缠霍金辐射云的信息容量有关。他花了2018-2019年的冬天,独自一人研究出细节来验证他的预感。

“Approximate Quantum Error Correction Revisited: Introducing the Alpha-bit”

“Learning the Alpha-bits of Black Holes”

“这是我一生中连续从事物理学研究最辛苦的一次,”Penington说:“圣诞节期间,我在墨西哥度假,但一直在偷偷地想这件事。我的朋友们一直在问,'你为什么这么安静?’”

大约在同一时间,Engelhardt也在进行着基本相同的计算。2019 年初,她与 AMPS 的Almheiri和Marolf以及斯坦福大学的Henry Maxfield联手,使用 2014 年的公式(该公式给出了在涉及引力的情况下的熵值)来研究黑洞外纠缠辐射中的信息。

两个团队得到了相同的答案,并于2019年5月在合作论文中公布。计算相当于计算外部辐射中的“头”:它告诉你有多少纠缠的“尾”隐藏在黑洞内部。对于年轻、空洞的黑洞来说,随着事件视界分裂出霍金对,分离的硬币面数量会上升,正如霍金所预期的那样。但随着年龄的增长,分离的币面数量开始下降:这意味着黑洞已经填满,并以某种方式将信息排空到外部辐射中,正如量子力学所要求的那样。

最后,Penington、Engelhardt和他们的合作者认为,他们终于明白了黑洞外发生了什么:信息确实像许多物理学家假设的那样,泄漏到了辐射中。这一事实产生了三个至关重要的后果。

- 首先,它缩小了霍金错误的可能性。辐射不可能是真正随机的,那么为什么值得信赖的半经典物理学会认为它是随机的呢?

- 其次,它将人们的理解前沿从黑洞外部转移到了内部。在一个古老黑洞的事件视界内的宇航员会如何经历蒸发呢?

- 最后,它表明霍金的半经典框架几乎是正确的,迈出进入内部的第一步不应该需要一个完整的量子引力理论。他们利用熟悉的时空成分成功地分析了外部。但只需稍微调整一下配方(2014 年熵公式),他们就发现信息确实会逃逸到内部。计算结果让他们确信,不必放弃黑洞内部的半经典观点。

2020 年初,新冠迫使世界进入室内,三位学者将他们的黑洞思想实验从麻省理工学院的黑板搬到了 Zoom 的数字环境中。

他们的目标是收集所有的线索,并开发出一种转换过程,将半经典的内部视角转化为量子力学的外部视角。这样的理论对刚刚进入黑洞的宇航员很有用。

已经确信的是,转换程序应该用量子纠错语言来编写,就像Harlow已经为虚空间所做的那样。半经典内部是信息,量子外部是传输。鉴于内部似乎是在不断缩小的地平线中成长的,他们只需要发明一种纠错码,就能把 SOS 压缩成一个 S。

Akers的同事们对此持怀疑态度。编码必须删除黑洞内部信息的方式违反了量子力学禁止信息丢失的规定:如果内部宇航员烧毁了她的任务日志,她可能无法从灰烬中重建一个副本。

Harlow说:“如果你修改量子力学,人们会认为你疯了,而通常他们是对的。”

那年晚些时候,麻省理工学院一位名叫 Shreya Vardhan 的研究生(现就读于斯坦福大学)加入了这个团队。她做了一些具体的熵计算,最终让大家相信,在黑洞内部轻而易举地打破量子力学,是在外部彻底拯救量子力学的唯一办法

Akers一直与Penington合作,因此他也参与其中。这项工作断断续续进行了几年。在去年七月,他们终于发表了一份预印本,详细阐述了他们的理论:即黑洞内部如何通过世界上最奇特的纠错码编码到黑洞外部。

“The black hole interior from non-isometric codes and complexity”

原理是这样的。黑洞内一位自我牺牲的宇航员记录下了她和黑洞周围所有光子、电子和其他粒子的构型——一份由大量量子比特组成的量子数据文件,记录了她的半经典经验。她的目标是理解她的伙伴在那一刻的量子视角。研究小组开发了一种两步算法,可以想象在量子计算机上运行这种算法来转换内部快照。

首先,程序会使用数学中最随机的变换之一扰乱半经典量子比特,使其几乎无法识别。

然后是秘诀。第二步涉及后选择,这是一种信息理论家比物理学家更常用的奇怪操作。后选择可以让实验者操纵一个随机过程,从而得到想要的结果。假设你想掷一枚硬币,连续得到 10 个人头。你可以做到,只要你有耐心在每次出现反面时重新开始。同样,编码程序开始测量半经典量子比特,但每次得到 1 时就会重启。最终,当它测量了大部分乱序量子比特并成功得到一串 0 时,它就会扔掉这些量子比特。剩下的几个未测量的量子比特代表了从外部观察黑洞量子图像的像素。这样,代码就把一个大的半经典 RAW 文件压缩成了一个紧凑的量子 JPEG 文件。

康奈尔大学的Hartman解释说:“这是一种将大量半经典信息压缩到有限量子空间的有损压缩方式。”

但有一个大问题。这样一个程序如何能删除如此多的半经典信息而不抹去任何重要细节?这个程序意味着半经典物理学充满了虚假:内部宇航员可能观察到的粒子构型实际上并不真实。但是,半经典物理学已经在地球上的粒子对撞机中进行了严格测试,实验人员没有看到这种海市蜃楼的迹象。

为了解释一个有缺陷的理论为何能表现得如此出色,研究小组转向了Hayden和Harlow在2013年提出的的观点:即解码AMPS实验的辐射需要很多步骤,实际上是不可能的。也许复杂性可以掩盖半经典物理学的裂缝。编码并不是随意删除配置。它只删除了某些复杂的粒子排列,这些粒子排列需要很长时间才能出现,以至于内部的宇航员永远也不可能看到它们。

在 AdS/CFT 中将体测量转换为边界测量。左图中,观察者Diana拿着一个仪器,她刚刚观察了这个仪器,以了解测量结果,但边界观察者Wendy认为Diana和仪器处于一个相干叠加中,并没有实现确定的结果。右图中,Wendy利用基本描述中的局部算子,向大体积中发送了一个“太空任务”,将Diana的仪器取回并交换出系统,之后Wendy就可以观察它,了解测量结果。

要证明代码基本上没有触及简单状态,这是最主要的工作。研究小组认为,对于他们的任何版本的两步过程来说,创建一个复杂的半经典构型,并且从外部角度看没有对应的构型,基本上需要花费永恒的时间——仅仅对于一个50量子比特的亚原子黑洞来说,就需要花费相当于当前宇宙年龄1万倍的时间。而对于一个真正的黑洞(比如拥有 1070 多个量子比特的 M87),打破半经典物理学的实验所需时间将比这还要长数倍。

研究小组提出,黑洞凸显了物理学既有框架的新崩溃。正如爱因斯坦曾预言牛顿的刚性距离概念会在足够高的速度下失效一样,他们预言半经典物理学会在涉及难以想象的步骤数量和难以理解的时间长度的极其复杂的实验中失效。

对此,Harlow解释说:“有一个复杂性前沿。当你开始做指数级的事情时,物理学才真正开始变得与众不同。”

当物理学家们确信代码的有损性不会导致黑洞内部的半经典物理学出现明显裂缝后,研究小组对其后果进行了调查。他们发现,这个表面上的缺陷原来是终极功能。

“看起来很糟糕。因为你删除了很多状态,所以似乎会丢失信息。但 事实证明,这是你想要的一切。”

“尤其是,它在解决信息如何走出黑洞的问题上超越了 2019 年的工作。或者说,它表明量子比特一开始并不在里面。

秘密在于转换的第二步,即后选择。后选择涉及相同的数学原理,即测量纠缠在一起的伙伴,就像将信息从一个位置传送到另一个位置的量子过程一样。因此,虽然转换过程并不是一个在时间上发生的物理事件,但它解释了信息如何从内部切换到外部。

从根本上说,如果内部宇航员转换了黑洞生命后期拍摄的快照,她就会发现,从外部角度看,那些看似存在于她周围粒子(甚至她自己身体)中的信息,实际上漂浮在外部的霍金辐射中。随着时间的推移,转换过程会发现她的世界越来越不真实。在黑洞消失前的一瞬间,尽管宇航员的印象与此相反,但她的信息几乎完全存在于外部,在辐射中乱成一团。通过逐个快照地追踪这一过程,研究小组得出了Engelhardt的熵公式——该公式在 2019 年发现了辐射中的信息。

简而言之,这种转换解释了宇航员如何在不知不觉中体验到一个随着成熟而与外部现实越来越疏离的内部空间。他们认为,霍金的错误在于把自己完全置身于内部宇航员中,并假设半经典物理学在黑洞内外都能完美运行。

他没有意识到,正如Harlow等人现在认为的那样,半经典物理学无法准确捕捉需要指数级复杂性的现象和实验。例如,解码辐射中的乱码信息需要指数级的漫长时间,这就是为什么他的半经典分析错误地预测辐射是无特征的。特征是存在的,只是需要宇宙年龄的很多很多倍才能发现它们。

此外,黑洞内部的信息容量似乎在增长,而黑洞表面的尺寸却在缩小,这也是有原因的:半经典计算错误地包含了大量在外部没有量子对应物的复杂状态。如果物理学家考虑到复杂性会扰乱半经典物理学,那么内部时空图景与外部量子图景之间的冲突就会烟消云散。

——科学家们现在看到了解决悖论的一致方法。

尽管Harlow信心十足,但黑洞界的其他人却有很多疑问。

主要的限制在于,代码所连接的理论极其简单。量子力学描述的是一个辐射信息的量子比特集合;半经典描述中,黑洞内部与外部被事件视界分割开来。就是这样:没有引力,也没有时空感。该代码具有悖论的核心特征,但它缺乏许多细节,而这些细节是论证真实黑洞以这种方式运行所必需的。

“我们有相当充分的理由认为这一点是正确的,但尽管如此,谨慎行事还是很重要的。”

存在大量替代解决方案,真正的万有引力仍可能以其中一种方式解决悖论。例如,俄亥俄州立大学的Mathur就领导了一个研究项目,研究其中的一种方案。在分析弦理论中一颗正在坍缩的恒星会发生什么时,他和他的合作者发现,弦可能会阻止坍缩。它们形成了一个蠕动的质量,即 “毛球(fuzzball)”,其错综复杂的蠕动将阻止事件穹界和悖论的形成。Mathur对新的解决方案提出了各种反对意见,并普遍认为有损代码是一个过于复杂的提议。

加州大学戴维斯分校的计算机科学家Isaac Kim和加州理工学院的量子物理学家John Preskill等一些对最初提议持怀疑态度的人后来也接受了这一想法。

Kim对使用后置选择感到不安。过去使用的后选法包括时间机器蓝图和功能强大到不合理的量子计算机,因此后选法的出现让人眼前一亮。他怀疑初始代码中缺失的细节,比如宇航员在测量外部辐射后掉入舱内的工作原理,可能会与后选相结合,甚至扰乱外部视角并删除其中的信息。

随后在 12 月,Kim和Preskill升级了代码,发现黑洞安全地继续辐射外部画面中的信息。他们还发现,后选择 并没有成为黑洞进行荒谬的强大计算(或将宇航员发射回未来)的漏洞。

“值得注意的是,在这个模型中,即使你允许后选择,这种情况也不会发生。这让我确信,这里发生了一些正确的事情。”

DeWolfe和他的合作者Kenneth Higginbotham在四月份进一步推广了有损代码。他们还得出结论,该代码可以承受宇航员的下坠。

“Non-isometric codes for the black hole interior from fundamental and effective dynamics”

其他研究人员在过去几个月里也在研究他们最喜欢的重力理论是否隐藏了有损性。10 月,不列颠哥伦比亚大学的Arjun Kar将Harlow及其同事的有损代码移植到了一个著名的二维重力理论中,结果发现该理论成立。

——他们似乎真的发现了量子纠错的有趣之处。

Aaronson说:“除了在此基础上进一步建立量子万有引力理论,并观察该理论是否成功之外,我们还不清楚该如何检验这一说法。”

Harlow却是个梦想家。“我不认为这是不可能的。只是很难。”Harlow是众多黑洞物理学家中最新的一位,他与物理证据之间的关系可能会让普通观察者感到惊讶。毕竟,没有人见过一个霍金辐射光子,以后也不会有人见过。即使你把詹姆斯-韦伯太空望远镜停在真正黑洞周围的轨道上,它也太微弱了。

但这并没有阻止从斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)、伦纳德·苏斯金德(Leonard Susskind)到内塔·恩格尔哈特(Netta Engelhardt)、克里斯·阿克斯(Chris Akers)等几十代物理学家激烈地争论如何处理与理论上的光子一起从黑洞中涌出的冲突束。

即使他们在建立和巩固自己的论据时,也承认要想知道黑洞究竟是终极宇宙监狱还是火热的死刑判决,唯一的决定性方法就是开始最初的匪夷所思的思想实验。

参考链接:

[1]https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP04(2015)163

[2]https://www.quantamagazine.org/new-calculations-show-how-to-escape-hawkings-black-hole-paradox-20230802/

[3]https://arxiv.org/abs/2207.06536

[4]https://www.quantamagazine.org/new-calculations-show-how-to-escape-hawkings-black-hole-paradox-20230802/

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