物理学家对黑洞悖论感到兴奋又困惑

最近提出的“黑洞火墙”概念让物理学家对他们一些最珍视的观点产生了质疑

“在科学中,最激动人心的短语,预示着新发现的短语,不是‘尤里卡!’而是‘真奇怪’,”艾萨克·阿西莫夫曾经说过。嗯,最近理论物理学中发生了一些非常奇怪的事情。最近关于黑洞的一个难题正威胁着要推翻物理学的一些最基本的原则,而许多科学家对此感到非常兴奋。

加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索谈到所谓的“黑洞火墙悖论”,该悖论涉及黑洞边界发生的事情时说:“对我来说,这是最近发生的最棒的事情。”。“这相当于里氏地震等级的9级——这绝对是我职业生涯中发生的最令人震惊和惊讶的事情。”引发如此欢欣鼓舞的难题是2012年7月首次提出的一个想法,并在10月21日发表在《物理评论快报》上的一篇论文中得到扩展。物理学家长期以来一直认为,空间在黑洞的事件视界(任何通过该点都无法逃脱的不可逆转的点)处是平滑的。然而,一个人越过那条线不会立即注意到任何异常,远处观察那个人的人也不会注意到任何异常。但物理学家也认为信息永远不会被摧毁。新的研究表明,这两个观点是相互不兼容的。卡弗里理论物理研究所和加州大学圣巴巴拉分校的约瑟夫·波尔钦斯基是火墙概念的主要架构师之一,他说:“这是一个悖论,因为我们相信的几个真实的事情不可能同时为真。”

波尔钦斯基和他的同事得出结论,空间不仅在黑洞视界处不平滑,而且在那个点上,物理定律完全崩溃了。科学家们认为,实际上必须有一个他们称之为火墙的清晰边界,而不是一个不引人注目的边界。“火墙有点像一道能量墙——它可能是时空本身的终结,”波尔钦斯基说。“任何撞击它都会分解成它的基本组成部分并有效地溶解。”起初,许多物理学家强烈反对火墙这种奇怪的想法。布索说:“我曾非常努力地想摆脱它们,但我不认为这会发生。” “我已经决定,对我来说最有希望的事情是假设存在火墙,并研究它们为什么会形成。”即使是这个想法的主要作者也没有完全赞同。“有一群人,包括我自己在内,有时会认为我们肯定做了一些不成立的微妙假设,”波尔钦斯基说。然而,他和所有其他人都承认,到目前为止,他们还没有发现推理中的缺陷。


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波尔钦斯基和他的加州大学圣巴巴拉分校的同事艾哈迈德·阿尔米赫里、唐纳德·马罗夫和詹姆斯·萨利提出的第一个关于火墙的论点依赖于量子纠缠的复杂量子力学概念,即两个粒子可以在一段距离上分离,但保持深刻的联系。马罗夫说,新论文完全避开了纠缠问题,从而加强并简化了火墙的论证。“它非常清楚地表明,你可能担心的一些事情是无关紧要的,与论证无关。”

然而,新论文远非该主题的最终结论。自从火墙概念被提出以来的这一年里,已经有100多篇论文讨论了这个概念,并且火墙一直是三场会议和研讨会的主题。哥伦比亚大学物理学家布赖恩·格林说:“过去一年见证了我们为之奋斗的那种发展。”。“这是检验真理的时候。”

火墙的揭示是一项突破——它揭示了一个没有人意识到存在的问题,并迫使科学家重新思考在解决物理学中的一个根本冲突方面似乎已经取得的一些进展——即描述宇宙宏观尺度的广义相对论和适用于亚原子世界的量子力学之间的不相容性。要解决微小但巨大的黑洞,就需要这两种理论,但这两种理论目前无法协同工作。

1997年,新泽西州普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西纳找到了一种方法来调和冲突理论的某些方面,并制定了可以描述黑洞的量子引力版本。他的工作是向前迈出的重要一步,但火墙理论表明,马尔达西纳的进步并没有像当时认为的那样解决许多问题。哥伦比亚物理学家和数学家彼得·沃伊特说:“人们曾自欺欺人地认为某些黑洞难题已经解决。”“这已经把人们从教条的沉睡中惊醒,他们意识到,‘等一下,我们并没有真正理解这一点。’”马罗夫同意说:“它迫使我们重新考虑我们认为已经解决的问题,”他说。“看到我们还有很长的路要走,这确实令人沮丧。”

然而,现在如何前进还不太清楚。哈佛大学的访问物理学家马特·斯特拉斯勒说:“我认为可以公平地说,量子引力陷入了停滞。”。“目前还不明显正在取得任何重大进展。”不过不用担心——没有什么比挑战更让物理学家喜爱的了。斯坦福大学物理学家伦纳德·萨斯金德本月早些时候在卡弗里研究所主办的关于火墙主题的Google+在线讨论中说:“我认为我们在概念上还有很长的路要走。”。“我认为我们的理解中存在很大差距。不过我们会填补它。请放心,我们会搞定的。”

Clara Moskowitz is a senior editor at 大众科学, where she covers astronomy, space, physics and mathematics. She has been at 大众科学 for a decade; previously she worked at Space.com. Moskowitz has reported live from rocket launches, space shuttle liftoffs and landings, suborbital spaceflight training, mountaintop observatories, and more. She has a bachelor's degree in astronomy and physics from Wesleyan University and a graduate degree in science communication from the University of California, Santa Cruz.

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