逃离黑洞

人类在2019年4月10日首次瞥见了黑洞。事件视界望远镜（EHT）团队利用一个地球范围内的射电天文台网络协同工作，分享了他们捕捉到的一个明显的黑洞图像，该黑洞位于附近的M87星系中心，质量是我们太阳的65亿倍。这是一项令人叹为观止的成就——我们首次看到了宇宙中最神秘的物体之一，它长期以来被预测存在，但从未被直接“看到”。更令人兴奋的是，这些图像以及随后的观测开始为物理学中最深刻的谜题之一提供新的线索。

这个谜团是关于信息在黑洞中会发生什么的“悖论”。通过调查这个问题，物理学家们发现，仅仅是黑洞的存在就与量子力学定律不一致，而量子力学定律迄今为止描述了我们宇宙中的其他一切。解决这种不一致性可能需要一场概念革命，其深刻程度堪比量子力学对经典物理学的推翻。

理论家们已经探索了许多想法，但几乎没有直接证据来帮助解决这个问题。然而，黑洞的第一张图像开始提供实际数据来为我们的理论提供信息。未来的EHT观测——特别是那些能够显示黑洞如何随时间演化的观测——以及引力波天文台最近探测到的黑洞碰撞，可能会提供重要的见解，并有助于迎来物理学的一个全新时代。

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信息问题

尽管黑洞深不可测，但它们似乎在宇宙中无处不在。EHT的观测和引力波测量只是最新且最可靠的证据，表明黑洞尽管听起来很奇幻，但确实似乎是真实存在的——而且非常普遍。然而，它们的存在本身就威胁着当前物理学的基础。量子力学的基本原理被认为支配着所有其他的自然规律，但当它们应用于黑洞时，就会导致矛盾，暴露出这些定律当前形式的缺陷。

问题源于我们可以提出的关于黑洞的最简单的问题之一：落入黑洞的东西会发生什么？我们需要在这里稍作细化才能充分解释。首先，根据我们当前的量子力学定律，物质和能量可以在不同的形式之间转换：例如，粒子可以变成不同种类的粒子。但唯一神圣且永不被摧毁的东西是量子信息。如果我们知道一个系统的完整量子描述，我们应该始终能够准确地确定其早期或后期的量子描述，而不会丢失信息。因此，更精确的问题是，落入黑洞的量子信息会发生什么？

我们对黑洞的理解来自阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，该理论将引力描述为由空间和时间的弯曲产生的；对此想法的一个常见可视化是一个重球使蹦床表面变形。时空的这种扭曲导致大质量物体和光的轨迹弯曲，我们称之为引力。如果质量足够集中在一个足够小的区域内，附近的时空变形就会非常强烈，以至于光本身也无法逃脱我们称之为事件视界内的区域：我们就得到了一个黑洞。如果没有任何东西可以比光速更快地传播——包括信息——那么一切都必须被困在这个边界内。黑洞变成了宇宙陷阱，将信息与光和物质一起捕获。

但故事变得更加奇怪。斯蒂芬·霍金最伟大的发现可能是他在1974年预测黑洞会蒸发。这一发现也导致了一个惊人的想法，即黑洞会摧毁量子信息。根据量子力学，成对的“虚粒子”随时随地都会凭空出现。通常，这样一对粒子，由一个粒子和它的反物质对应物组成，会迅速湮灭自身，但如果它在黑洞的视界附近形成，一个粒子可能会在边界内弹出，另一个粒子在边界外弹出。外面的粒子可以逃逸，带走能量。能量守恒定律告诉我们，黑洞因此失去了能量，因此，这种粒子的发射会导致黑洞随着时间的推移而缩小，直到它完全消失。问题是，逃逸的粒子，即所谓的霍金辐射，基本上不携带任何关于什么东西落入黑洞的信息。因此，霍金的计算似乎表明，落入黑洞的量子信息最终会被摧毁——这与量子力学相矛盾。

这一启示引发了物理学中的一场深刻危机。伟大的进步来自于之前这样的危机。例如，在20世纪初，经典物理学似乎预测原子不可避免地不稳定，这显然与稳定物质的存在相矛盾。这个问题在量子革命中起到了关键作用。经典物理学暗示，由于原子内的轨道电子不断改变方向，它们会不断发出光，导致它们失去能量并螺旋式地进入原子核。但在1913年，尼尔斯·玻尔提出，电子实际上只在量子化的轨道内运动，而不会螺旋式地进入原子核。这个激进的想法有助于建立量子力学的基础，量子力学从根本上改写了自然规律。越来越明显的是，黑洞危机也将类似地导致物理学的另一次范式转变。

量子替代方案

当霍金首次预测黑洞蒸发时，他认为量子力学一定是错误的，信息破坏是被允许的。然而，物理学家很快意识到，这种改变将需要能量守恒定律的彻底崩溃，这将灾难性地否定我们目前对宇宙的描述。显然，必须在其他地方寻求解决方案。

另一个早期的想法是，黑洞不会完全蒸发，而是在微小的尺寸处停止收缩，留下包含原始信息的微小残余物。但是，科学家们意识到，如果这是真的，量子物理学的基本性质将预测灾难性的不稳定性，导致普通物质爆炸成这样的残余物，这也与日常经验相矛盾。

显然，有些地方非常错误。人们很容易得出结论，缺陷在于霍金最初的分析，并且信息以某种方式确实逃脱了发射霍金辐射的黑洞。这里的挑战是，这种情况会与现代物理学的一个基本概念——局域性原理相冲突，局域性原理指出，信息不能超光速地从一个地方移动到另一个地方。但是，根据我们对黑洞的定义，逃脱黑洞的唯一方法是比光速更快地移动，因此，如果信息确实逃脱了，它一定是超光速地逃脱的，这与局域性相冲突。自从霍金发现以来的四十年里，物理学家们一直试图在传统物理学范围内找到这个论点的漏洞，但没有找到。

最接近的尝试是霍金、马尔科姆·佩里和安德鲁·斯特罗明格在2016年提出的一个方案，他们认为，最初分析中的一个错误意味着信息永远不会完全进入黑洞，而是在黑洞外部以他们所谓的“软毛”的形式留下一种印记。然而，更仔细的检查似乎正在关闭这个漏洞，大多数专家不相信这会是答案。简而言之，似乎需要采取更激进的步骤。

一个明显的想法是，存在一些未知的物理学阻止了真正的黑洞完全存在。黑洞形成的传统图景是，当非常大的恒星燃尽死亡时，它们的质量在引力的作用下坍缩成黑洞。但是，如果它们永远达不到那个阶段，而是转变成行为“更好”的物体呢？事实上，我们知道，当像我们太阳这样的低质量恒星燃尽并坍缩时，它们不会形成黑洞，而是形成致密的残余物——例如，白矮星或中子星。也许一些未知的物理定律也阻止了更大的恒星形成黑洞，而是导致它们变成某种“大质量残余物”——更像中子星而不是黑洞。

这个建议的问题是，我们无法解释是什么稳定了这些物体——没有已知的物理学应该阻止它们在引力作用下继续坍缩，而任何想象中可以阻止坍缩的物理学显然都需要超光速信号从坍缩物质的一侧传递到另一侧。事实上，传统的巨大黑洞可以由非常低密度的物质形成。为了说明这一点，如果M87星系中65亿太阳质量的黑洞是由尘埃云坍缩形成的（这在理论上是可能的，尽管实际过程显然更为复杂），那么当尘埃达到珠穆朗玛峰顶空气的密度时，它就会发生。（珠穆朗玛峰顶的空气不会形成黑洞，因为它的量不够；需要积累65亿个太阳质量。）一些剧烈的和超光速的新物理过程需要在如此低的密度范围内接管，以立即将坍缩的云变成一个巨大的残余物，而不是允许黑洞形成。

一个相关的想法是，在黑洞形成后但在蒸发之前很久，某种东西可能会导致黑洞变成包含原始信息的大质量残余物。但再一次，这个故事需要从初始黑洞的内部到最终残余物的非定域信息传递。

尽管存在问题，物理学家们还是探索了这两种情景的版本。例如，在2003年，萨米尔·马图尔提出了一个基于弦理论的方案，该理论假设基本粒子是微小的弦。他的想法是，黑洞会转变成一个“模糊球”，一种大质量残余物，或者模糊球首先形成而不是黑洞。由于弦理论的复杂物理学及其对传统四维时空以外的维度的允许，模糊球可能具有复杂的高维几何形状；与黑洞在事件视界的尖锐传统边界不同，模糊球将具有更模糊和更大的边界，在那里会遇到弦和高维几何形状。

或者，一个更近期的残余物情景是，提出形成一个带有高能粒子“防火墙”表面的大质量残余物，而不是带有事件视界的黑洞，防火墙表面位于视界所在的位置。这个防火墙会焚烧任何遇到的东西，将其变成添加到防火墙的纯能量。然而，防火墙和模糊球都存在需要违反局域性的问题，并且由此产生的物体将具有其他非常难以解释的特性。

修改局域性

大质量残余物方案中的一个共同点是，拯救量子力学似乎需要违反局域性原理。但是，粗心大意地这样做预计会像修改量子力学一样具有灾难性，事实上，通常会导致另一个悖论。具体而言，相对论定律表明，如果你在空旷、平坦的空间中发送超光速信号，以足够高的速度经过你的观察者会看到信号在时间上倒退。悖论产生的原因是，这种超光速信号然后允许你向你的过去发送消息，例如，要求某人在你母亲出生之前杀死你的祖母。

即使这种答案似乎与基本物理原理相矛盾，也值得更仔细地研究一下。修改局域性似乎很疯狂，但我们还没有找到不修改局域性的替代方案。黑洞危机的严重性质强烈暗示，可以通过某种微妙地违反局域性原理来解决问题，这种违反不会产生这样的悖论。换句话说，量子力学暗示信息永远不会被摧毁，因此，落入黑洞的信息必须最终逃脱，可能是通过某种新的、微妙的“非定域化”的信息，当我们最终找到统一量子力学和引力的方法时，这种非定域化可能会变得清晰起来——这是当今物理学最深刻的问题之一。事实上，我们还有其他理由认为可能存在这种微妙之处。在包含引力的理论中，局部信息的概念——它可以存在于一个地方而不存在于另一个地方——比在不包含引力的理论中更微妙，因为引力场延伸到无穷远，使局域化的概念复杂化。

如果信息确实从黑洞中逃脱，它可能不需要像形成大质量残余物那样明显和突然的改变，无论是模糊球、防火墙还是其他变体。越来越多的证据表明，宇宙中存在一些看起来和行为都很像经典黑洞的物体，而没有严重偏离爱因斯坦的预测。爱因斯坦的广义相对论对其黑洞的描述是如此彻底的错误吗？或者，是否可能存在一些更无害的、目前未知的效应，这些效应使信息非定域化并允许信息从黑洞中泄漏出来，从而避免整个时空图景的如此戏剧性的失败？

在我的理论工作中，我发现了两种这样的效应版本。在其中一种版本中，黑洞附近的时空几何形状发生了改变，使其弯曲和波动，其方式取决于黑洞中的信息——但很温和，因此它不会，例如，摧毁一个落入通常会发现视界的区域的宇航员。在这种“强而温和”的情景中，时空的这种闪烁可以将信息传递出去。有趣的是，我还发现，信息以一种更微妙的、本质上是量子的方式逃脱黑洞。在这种“弱而温和”的情景中，即使是黑洞附近时空几何形状的微小量子涨落也可以将信息传递给从黑洞发出的粒子。信息传递仍然足够大以拯救量子力学这一事实与黑洞可以包含的巨大信息量有关。在任何一种图景中，黑洞实际上都具有围绕它的“量子光晕”，在量子光晕中，相互作用将信息传递回其周围环境。

值得注意的是，这些情景尽管看起来需要超光速的信息传播，但并不一定会产生祖母悖论。这里的信息信号与黑洞的存在有关，黑洞具有与平坦空间不同的时空几何形状，因此，早先关于与过去通信的论证不再成立。从另一个角度来看，这些可能性是诱人的：局域性原理也禁止我们自己的超光速旅行；黑洞的量子力学似乎在告诉我们，这个原理的当前表述存在问题。

改写物理定律

到目前为止，更完整的物理学理论尚未预测到这种量子光晕情景，该理论调和了量子力学与引力，但解决问题的需要以及基于我们所见所闻的假设强烈地表明了这一点。如果这种情景是正确的，它可能代表了对更深层现实的一种近似描述。我们对空间和时间的概念，这是其余科学的基础，似乎需要进行重大修订。目前理解黑洞的工作可能类似于玻尔和其他人首次尝试对原子的物理学进行建模。那些早期的原子描述也是近似的，并且只是后来才导致了量子力学的深刻理论结构。尽管修改局域性似乎是不可能的，但我们可以通过注意到量子力学定律对于与它们的发现作斗争的经典物理学家来说也显得非常不可能，从而找到安慰。

鉴于理清量子黑洞的故事以及描述它们的更完整的理论的巨大挑战，物理学家们渴望获得实验和观测证据来帮助指导我们。最近令人兴奋的进展已经给了人类两个直接观测黑洞行为的窗口。除了EHT的黑洞图像外，激光干涉引力波天文台（LIGO）及其配套设施已开始探测到来自明显黑洞碰撞的引力波。这些波携带着关于产生它们的物体的属性和行为的宝贵信息。

从朴素的观点来看，EHT或LIGO能够探测到任何偏离爱因斯坦对黑洞描述的地方，这似乎是荒谬的。传统上，人们认为只有当时空曲率变得非常大时，才需要修改他的理论，例如在黑洞中心附近；相比之下，在大型黑洞的视界附近，曲率非常弱。但我所描述的信息危机表明情况并非如此。理论界的大部分人现在已经达成共识，即需要对当前的物理定律进行一些修改，以描述不仅在黑洞深处，而且一直到视界之外的现象。我们似乎已经过了卢比孔河。对于M87星系中的黑洞，我们期望发现偏离经典预测的距离是太阳系大小的几倍。

LIGO和EHT已经排除了在尝试对黑洞进行逻辑一致描述时可能考虑的更疯狂的可能性。具体而言，如果黑洞被直径大约是假定黑洞两倍以上的大质量残余物所取代，我们本应在来自这两个实验的数据中看到迹象。对于EHT，产生现在著名的图像的大部分光线来自事件视界直径约1.5倍的区域。对于LIGO，我们探测到的部分引力波信号同样来自碰撞物体达到类似小分离的区域。尽管对这些信号的研究仍处于早期阶段，但EHT和LIGO已经揭示了非常黑暗和非常致密的物体，它们产生的信号就像未修改的黑洞预测的信号一样。

尽管如此，更仔细地研究这些信号仍然很重要。足够仔细的分析实际上可能会揭示更多关于黑洞量子物理学的线索。即使没有观察到新的效应，我们也会获得信息，这些信息会限制对其量子行为的可能描述。

直径足够大的残余物现在已被排除，但是，如果残余物情景仅在视界附近修改黑洞描述，那又会如何呢？尽管完整的讨论需要更全面的残余物理论——例如模糊球或防火墙——但我们有一些初步的指标。具体而言，如果这些物体的半径仅略大于相应黑洞视界的半径，那么EHT和LIGO的观测可能都无法揭示这样的结构，因为很少有光或引力辐射从非常靠近视界的区域逃逸出来。

一个可能的例外是引力“回波”的可能性。正如里斯本大学的维托尔·卡多索、意大利国际高级研究学院的埃德加多·弗兰津和罗马萨皮恩扎大学的保罗·帕尼在2016年首次提出的那样，如果两个这样的残余物结合形成一个具有相似特性的最终残余物，引力波可以从合并后的残余物表面反射，并且可能会被观测到。然而，虽然大多数近视界情景很难通过观测排除，但很难解释这些结构如何能够稳定，而不是在自身重量下坍缩形成黑洞。当然，这是所有大质量残余物情景的一个普遍问题，但在这种碰撞中的极端力存在的情况下，这个问题变得更加具有挑战性。

对于测试某些情景而言，前景更好，在这些情景中，新的相互作用表现得像时空几何形状的微妙修改，但延伸到视界之外很远的地方。例如，在强而温和的情景中，黑洞量子光晕的波动会扭曲经过黑洞附近的光线。如果这种情景是正确的，那么闪烁可能会导致EHT图像的失真，这些失真会随着时间而变化。

在我和EHT科学家迪米特里奥斯·普萨尔蒂斯的合作中，我们发现对于我们星系中心的黑洞来说，这些变化可能在约一小时内发生。由于EHT将多小时的观测结果合并为一个平均值，因此这些效应可能很难看到。但是，对于M87星系中黑洞的相关波动时间，它比我们星系中心的黑洞大1000多倍，更像是数十天。这项工作表明，我们应该通过使用比该项目最初的七天跨度更长的EHT观测来寻找这些失真。如果实验发现这样的失真，它们将是黑洞量子物理学的一个壮观线索。如果它们没有出现，那将开始指向更微妙的弱量子情景，或者更奇异的东西。

弱而温和的情景更难测试，因为预期几何形状变化的相对较小。然而，初步调查表明，这种情况可以改变引力波的吸收或反射方式，从而可能产生对引力波信号的可观测修改。

如果任何一种情景是正确的，我们将不仅更多地了解量子黑洞是什么，而且还将更多地了解更深层次的自然规律。目前，当引力场存在时，我们并不完全理解如何思考信息局域化。量子物理学表明，时空本身不是物理学的基本组成部分，而只是作为更基本的数学结构的近似而出现。量子黑洞效应的证据可能有助于使这个概念更加具体。

为了了解更多信息，重要的是扩展和改进EHT和引力波测量。对于EHT，拥有更长时间的观测以及其他目标（例如我们星系中心的黑洞）的图像将很有用，这两者都在预期之中。对于引力波，更多具有更高灵敏度的观测将是有益的，并且当日本和印度的其他探测器上线时，将有助于在美国和欧洲的现有设施。此外，还需要强大的互补理论努力来完善情景，更好地阐明其起源和解释，并更彻底地评估它们对EHT或引力波信号的影响程度问题。

无论危机的解决方案是什么，黑洞都包含着关于引力的基本量子物理学以及空间和时间的本质的关键线索。正如原子和量子力学一样，更好地理解黑洞很可能有助于指导物理学的下一次概念革命。EHT和引力波观测有可能为我们提供关键信息，无论是通过排除量子黑洞情景，还是通过发现与它们相关的新现象。