爱丽丝和鲍勃是量子力学中各种思想实验中深受喜爱的人物，他们正处于十字路口。冒险且相当鲁莽的爱丽丝跳入一个非常大的黑洞，留下一个可能孤独的鲍勃在视界之外——黑洞的无返回点，超过该点任何事物，甚至光都无法逃脱。
传统上，物理学家假设如果黑洞足够大，爱丽丝在穿过视界时不会注意到任何异常。在这种被形象地称为“无戏剧性”的情况下，引力不会变得极端，直到她接近黑洞内部一个叫做奇点的点。在那里，她脚上的引力将比头上的引力强得多，爱丽丝会被“意大利面化”。
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现在，一个新的假设给可怜的爱丽丝带来了比她预想的更多的戏剧性。如果这种替代方案是正确的，那么当毫无戒心的爱丽丝穿过视界时，她会遇到一堵巨大的火墙，当场将她焚毁。虽然这对爱丽丝来说似乎不公平，但这种情况也意味着理论物理学中至少有三个珍视的概念必须是错误的。
当爱丽丝的火热命运在今年夏天被提出时，它引发了物理学家之间的激烈辩论，他们中的许多人对此持高度怀疑态度。“我最初的反应是，‘你一定是在开玩笑，’”加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索承认道。他认为一个有力的反驳会很快出现并结束此事。相反，在经过一系列关于该主题的论文辩论之后，他和他的同事们意识到这具有成为一个强大的悖论的潜力。
“来自地狱的菜单”
物理学中的悖论有一种阐明关键问题的方式。这个特殊谜题的核心在于许多物理学家所钟爱的三个基本假设之间的冲突。第一个基于广义相对论的等效原理，导致了“无戏剧性”的场景：因为爱丽丝在穿过视界时处于自由落体状态，并且自由落体和惯性运动之间没有区别，她不应该感受到极端的重力影响。第二个假设是幺正性，该假设与量子力学的基本原则相一致，即落入黑洞的信息不会不可挽回地丢失。最后，还有我们最好称之为“正常性”的东西，即物理学在远离黑洞的地方按预期工作，即使它在黑洞内的某个点——在奇点或在视界——崩溃。
这些概念共同构成了布索无奈地称之为“来自地狱的菜单”的东西。为了解决这个悖论，必须牺牲其中之一，没有人能就应该牺牲哪一个达成一致。
物理学家不会轻易放弃历史悠久的假设。这就是为什么如此多的人觉得火墙的概念令人讨厌。“这是可恶的，”加州理工学院的约翰·普雷斯基尔本月早些时候在斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德组织的非正式研讨会上宣布道。在两天的时间里，大约有50位物理学家进行了一场热烈的头脑风暴会议，抛出了各种疯狂的想法，试图解决这个悖论，中间穿插着在黑板上快速书写方程的啪啪啪的声音。但是，尽管有集体焦虑，即使是防火墙最激烈的批评者也尚未找到令人满意的难题解决方案。
根据加州大学圣巴巴拉分校的弦理论家约瑟夫·波钦斯基的说法，最简单的解决方案是等效原理在视界处失效，从而产生防火墙。波钦斯基是引发这一切的论文的合著者，与艾哈迈德·阿尔米里、唐纳德·马罗夫和詹姆斯·苏利一起——这个小组通常被称为“AMPS”。即使是波钦斯基也认为这个想法有点疯狂。一个防火墙是至少不那么激进的潜在解决方案，这证明了问题的棘手程度。
如果防火墙论证中存在错误，那么这个错误并不明显。这是一个好的科学悖论的标志。而且，它出现在理论家渴望新挑战的时候：大型强子对撞机未能发现任何数据暗示标准模型之外的奇异物理学。“在没有数据的情况下，理论家们在悖论中茁壮成长，”波钦斯基打趣道。
如果 AMPS 是错误的，根据萨斯坎德的说法，它会以一种非常有趣的方式错误，这将推动物理学向前发展，有望朝着一个强大的量子引力理论迈进。毕竟，黑洞对物理学家来说很有趣，因为广义相对论和量子力学都可以应用，这与宇宙的其他部分不同，在宇宙的其他部分，物体在亚原子尺度上受量子力学支配，在宏观尺度上受广义相对论支配。这两个“规则手册”在它们各自的范围内都运行良好，但物理学家们很乐意将它们结合起来，以揭示黑洞等异常现象，并由此揭示宇宙的起源。
一个纠缠的悖论
这些问题复杂而微妙——如果它们很简单，就不会有悖论——但是 AMPS 论证的很大一部分取决于一夫一妻制量子纠缠的概念：您一次只能有一种纠缠。 AMPS 认为，为了使“来自地狱的菜单”上的所有三个假设都成立，需要两种不同的纠缠。由于量子力学的规则不允许您同时拥有两种纠缠，因此必须牺牲这三个假设之一。
纠缠——阿尔伯特·爱因斯坦嘲笑为“远距离的幽灵般的动作”——是量子力学的一个众所周知的特征（在思想实验中，爱丽丝和鲍勃代表一对纠缠的粒子对）。当亚原子粒子碰撞时，它们可以变得无形地连接起来，即使它们在物理上是分离的。即使在远处，它们也是不可分割地相互联系并像一个物体一样行动。因此，有关一个伙伴的知识可以立即揭示有关另一个伙伴的知识。关键是您一次只能有一种纠缠。
在经典物理学中，正如普雷斯基尔在加州理工学院的量子前沿博客上解释的那样，爱丽丝和鲍勃都可以拥有同一份报纸的副本，这使他们可以访问相同的信息。分享这种联系使他们“高度相关”。第三个人“凯莉”也可以购买该报纸的副本，这使她可以平等地访问其中包含的信息，从而与鲍勃建立关联，而不会削弱他与爱丽丝的关联。实际上，任何数量的人都可以购买同一份报纸的副本并彼此高度关联。
有了量子关联，鲍勃可以与爱丽丝或凯莉高度纠缠，但不能同时与两者高度纠缠。
图片：由约翰·普雷斯基尔提供
但是，对于量子关联来说，情况并非如此。为了使鲍勃和爱丽丝最大限度地纠缠在一起，他们各自的报纸必须具有相同的方向，无论是正面朝上、倒立还是侧向。只要方向相同，爱丽丝和鲍勃就可以访问相同的信息。“因为只有一种阅读经典报纸的方法，而有很多方法可以阅读量子报纸，所以量子关联比经典关联更强，”普雷斯基尔说。这使得鲍勃不可能像与爱丽丝一样与凯莉高度纠缠，而又不牺牲他与爱丽丝的一些纠缠。
这是有问题的，因为黑洞存在多种纠缠，并且在 AMPS 假设下，这两种纠缠会发生冲突。在坠落的观察者爱丽丝和外部观察者鲍勃之间存在纠缠，这对于保持“无戏剧性”是必要的。但是，还有第二个纠缠来自物理学中的另一个著名悖论，该悖论与信息是否在黑洞中丢失的问题有关。在 20 世纪 70 年代，斯蒂芬·霍金意识到黑洞并非完全是黑色的。虽然爱丽丝在穿过视界时可能看起来没有什么不对劲，但从鲍勃的角度来看，视界看起来会像一块煤一样发光——这种现象现在被称为霍金辐射。
“无戏剧性”场景中粒子的纠缠：视界之外的鲍勃（虚线）与视界内（b 点）的爱丽丝纠缠在一起。随着时间的推移，爱丽丝 (b') 漂移向奇点（波浪线），而鲍勃 (b") 仍然在黑洞之外。
图片：由约瑟夫·波钦斯基提供
这种辐射是由靠近黑洞的量子真空中涌现出的虚粒子对产生的。通常它们会碰撞并湮灭成能量，但有时其中一对会被吸入黑洞，而另一对则会逃到外面的世界。黑洞的质量必须略微减少以抵消这种影响并确保能量仍然守恒，因此会逐渐消失。它蒸发的速度取决于黑洞的大小：越大，蒸发的速度就越慢。
霍金假设一旦辐射完全蒸发，那么该辐射中所包含的有关黑洞内容的任何信息都将丢失。“上帝不仅掷骰子，而且他还常常把骰子扔到我们看不见的地方来迷惑我们，”他曾著名地宣称。他和加州理工学院的物理学家基普·索恩甚至在 20 世纪 90 年代与持怀疑态度的普雷斯基尔就信息是否在黑洞中丢失进行了打赌。普雷斯基尔坚持认为信息必须守恒；霍金和索恩认为信息会丢失。物理学家最终意识到，有可能以牺牲一些代价来保存信息：随着黑洞蒸发，霍金辐射必须与视界外部区域越来越纠缠。因此，当鲍勃观察到该辐射时，他可以提取信息。
但是，如果鲍勃在爱丽丝穿过视界后将他的信息与爱丽丝的信息进行比较会发生什么？“那将是灾难性的，”布索解释说，“因为外部观察者鲍勃在霍金辐射中看到了相同的信息，如果他们可以谈论它，那将是量子复印，这在量子力学中是被严格禁止的。”
在萨斯坎德的带领下，物理学家宣布，只要爱丽丝和鲍勃不可能共享他们各自的信息，那么这两种关于黑洞的观点之间的差异是可以接受的。这种称为互补性的概念只是认为没有直接矛盾，因为没有一个观察者可以同时位于视界内部和外部。如果爱丽丝穿过视界，看到该半径内的恒星并想告诉鲍勃，广义相对论有办法阻止她这样做。
霍金辐射是视界附近涌现出的虚粒子对的结果，其中一个伙伴落入，另一个伙伴逃逸。黑洞的质量因此减少并以辐射的形式发射出来。
图片：由约瑟夫·波钦斯基提供
萨斯坎德的论点，即信息可以在不借助量子复印的情况下被恢复，足以令人信服，以至于霍金在2004年承认了他与普雷斯基尔的赌注，并向后者赠送了一本棒球百科全书，他说，从这本书中“可以随意检索信息”。但也许索恩，他拒绝认输，坚持己见是对的。
布索认为互补性会再次发挥作用，以解决火墙悖论。但他很快意识到这是不够的。互补性是一个为解决特定问题而发展的理论概念，即调和事件视界内外观察者的两种观点。但火墙恰好在事件视界之外一点点，这使得爱丽丝和鲍勃拥有相同的视角，因此互补性无法解决这个悖论。
迈向量子引力
如果他们希望消除火墙并保留“无戏剧性”，物理学家需要找到一个针对这种独特情况的新理论见解，或者承认也许霍金一直是对的，信息确实丢失了，这意味着普雷斯基尔可能不得不退回他的百科全书。因此，令人惊讶的是，普雷斯基尔竟然建议他在斯坦福研讨会上的同事们至少重新考虑信息丢失的可能性。尽管我们不知道如何在不违反幺正性的情况下理解量子力学，“但这并不意味着不能做到，”他说。“照照镜子，问问自己：我会用我的生命来赌幺正性吗？”
波尔钦斯基令人信服地认为，你需要爱丽丝和鲍勃纠缠在一起才能保持“无戏剧性”，你需要霍金辐射与事件视界外的区域纠缠在一起才能守恒量子信息。但你不能同时拥有两者。如果你牺牲了霍金辐射与事件视界外区域的纠缠，你就会丢失信息。如果你牺牲了爱丽丝和鲍勃的纠缠，你就会得到一个火墙。
波尔钦斯基说：“量子力学不允许两者都存在。如果你失去了坠入（爱丽丝）和发出（鲍勃）的观察者之间的纠缠，这意味着你在视界的量子态中放入了一种尖锐的扭结。在某种意义上，你打破了一个纽带，而这个被打破的纽带需要能量。这告诉我们火墙必须存在。”
这个后果源于这样一个事实：事件视界外的区域和霍金辐射之间的纠缠必须随着黑洞的蒸发而增加。当大约一半的质量辐射出去时，黑洞就会达到最大纠缠，并且基本上经历了一次中年危机。普雷斯基尔解释说：“就好像我们期望在黑洞深处发现的奇点，在黑洞衰老时已经爬到了事件视界。”而奇点和事件视界之间的这种碰撞的结果就是可怕的火墙。
在斯坦福研讨会期间，至少有一次，关于奇点从黑洞深处迁移到事件视界的心理图像引发了一次恼怒的爆发，布索认为这种反应是可以理解的。“我们应该感到沮丧，”他说。“这对广义相对论来说是一个可怕的打击。”
然而，尽管他对火墙持怀疑态度，但他很高兴能参与这场辩论。“这可能是我进入物理学以来发生的最令人兴奋的事情，”他说。“这绝对是我遇到的最棒的悖论，我很兴奋能研究它。”
爱丽丝被火墙烧死的命运似乎注定要加入物理学中经典思想实验的行列。物理学家对量子引力了解得越多，它就越与我们目前对宇宙如何运作的认识不同，迫使他们在科学进步的神坛上牺牲一个又一个珍视的信念。现在，他们必须选择牺牲幺正性或“无戏剧性”，或者对量子场论进行根本性的修改。或者，也许这一切都只是一个可怕的错误。无论如何，物理学家都一定会学到新的东西。
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