掉进黑洞从来都不是一件有趣的事情。物理学家意识到黑洞存在后，我们就知道离黑洞太近意味着必死无疑。但我们过去认为，宇航员如果掉过“不归点”——所谓的事件视界——不会感到任何特别之处。根据爱因斯坦的广义相对论，没有任何路标会标明逃脱机会降至零的点。任何穿越视界的人似乎只会不断地往下掉，掉进一片黑暗之中。
我和我的同事们根据关于量子力学对黑洞影响的一些新信息，重新塑造了这幅图景。现在看来，我们的宇航员的经历将与阿尔伯特·爱因斯坦的预测大相径庭。宇航员不会无缝地坠入内部，而是在视界处遇到“防火墙”，即高能粒子，这将是瞬间致命的。这个墙甚至可能标志着空间的尽头。
2012年，我们四个人，当时都在加州大学圣巴巴拉分校——我的同事唐纳德·马洛夫，当时的博士生艾哈迈德·阿尔姆海里和詹姆斯·苏利，以及我（现在以首字母缩写词AMPS而闻名）——在使用弦理论的思想仔细研究了黑洞物理学，特别是已故的斯蒂芬·霍金在20世纪70年代提出的一个有趣的论点后，得出了这个结论。霍金指出了量子理论和相对论在这些极端环境中的预测之间存在的深刻冲突。根据他的推理，要么量子力学，要么爱因斯坦对时空的描述是有缺陷的。关于哪种观点是正确的争论，自那以后一直在摇摆不定。
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与霍金最初的主张一样，我们的防火墙提议也引起了轩然大波，而且尚未出现令人满意的替代方案。如果要相信量子力学，防火墙是必然的结果。然而，它们的存在也引发了理论上的难题。物理学家似乎必须放弃我们广泛珍视的信念之一，但我们无法就放弃哪一个达成一致。然而，我们希望，这种困惑将带来对量子力学和相对论更完整的理解，并理想地找到一种最终解决这两种物理学主流理论之间明显矛盾的方法。
奇点
广义相对论诞生了黑洞的概念，它对这些神秘实体及其事件视界的描绘，源于对引力对空间和时间影响的理解。根据该理论，如果足够多的质量聚集在一起，引力就会导致它开始坍缩。没有什么可以阻止这个过程，直到所有质量都被压缩到一个时空无限稠密和无限弯曲的单点，称为奇点——换句话说，一个黑洞。
任何穿过黑洞事件视界边界的太空旅行者都将无法逃脱引力，并将很快被吸入奇点。即使是光，一旦过了视界，也无法逃脱。奇点是一个非常引人注目的地方，但根据广义相对论的等效原理，视界本身应该是平淡无奇的；自由落入黑洞的个体在穿越视界时，将看到与任何其他地方相同的物理定律。理论家们喜欢说，整个太阳系可能正在坠入一个巨大的黑洞，而我们不会体验到任何异常之处。
黑洞辐射
霍金对黑洞传统图景提出的挑战始于1974年，当时他考虑了量子力学的一个奇怪预测。根据这个理论，粒子和它们的反物质对应物会不断地突然出现，然后几乎立即消失。霍金表明，如果这种涨落发生在黑洞视界之外，这对粒子可能会分离。一个会掉进奇点，另一个会从黑洞中逃逸，并带走它的一些质量。最终，黑洞的全部质量可能会通过这个过程耗尽，这个过程被称为霍金蒸发。
对于自然界中发现的黑洞来说，蒸发并不重要：这些黑洞从气体和尘埃落入其中增加质量的速度，比它们因辐射而损失质量的速度快得多。但是，出于理论目的，我们可以研究如果黑洞完全孤立，并且我们有足够的时间来观察蒸发的整个过程，会发生什么。通过进行这样的思想实验，霍金揭示了广义相对论和量子力学之间存在的两个明显的矛盾。
熵问题。在思考孤立的黑洞时，霍金注意到，从黑洞流出的同名辐射的光谱，看起来会像一个辐射热体的光谱，这意味着黑洞具有温度。一般来说，温度是由物体内部原子的运动产生的。因此，霍金辐射的热性质表明，黑洞应该具有由某种离散的构建块或比特组成的微观结构。已故的物理学家雅各布·D·贝肯斯坦也在两年前通过进行将物体扔进黑洞的思想实验，得出了这个结论。贝肯斯坦和霍金的工作给出了比特数的公式，这是一种被称为黑洞熵的度量。熵是无序程度的衡量标准，随着物体可以拥有的状态数量的增加而增大。黑洞中的比特数越大，它们可能拥有的排列方式就越多，熵也就越大。
相比之下，广义相对论将黑洞描述为具有光滑的几何形状，并指出给定质量、自旋和电荷的每个黑洞都应该完全相同：用已故的普林斯顿大学物理学家约翰·惠勒的话来说，“黑洞没有毛发。”因此，这里存在一个矛盾：相对论说没有毛发，而量子力学说黑洞具有大量的熵，这意味着某种微观结构，或者说毛发。
信息悖论。霍金蒸发也对量子理论提出了挑战。根据霍金的计算，从黑洞逃逸出来的粒子，根本不取决于进入黑洞的物质的属性——通常是一颗坍缩的巨星。例如，我们可以把一张写有信息的便条送进黑洞，然后就无法从最终出现的粒子中重建信息。一旦便条穿过视界，它就无法影响后来出来的任何东西，因为没有信息可以从内部逃脱。在量子力学中，每个系统都由一个称为波函数的公式来描述，该公式编码了系统处于任何特定状态的可能性。
在霍金的思想实验中，信息的丢失意味着我们无法根据进入黑洞的质量的属性，来预测霍金辐射的波函数。信息丢失是量子力学所禁止的，因此霍金得出结论，必须修改量子物理定律，以允许在黑洞中发生这种丢失。
你可能会对自己说，“当然，黑洞会摧毁信息——它们会摧毁进入其中的一切。”但比较一下如果我们只是烧掉便条会发生什么。信息肯定会被打乱，从烟雾中重建信息是不切实际的。但是，燃烧的过程是由普通的量子力学描述的，应用于便条中的原子，而烟雾的量子描述将是一个确定的波函数，它将取决于原始信息。因此，理论上，可以通过波函数重建信息。然而，在黑洞的情况下，对于产生的辐射，将不存在确定的波函数。
基于这个类比，许多理论家得出结论，霍金是错误的，他把信息的扰乱误认为是实际的信息丢失。此外，一些人认为，如果信息可以丢失，那么它不仅会发生在黑洞蒸发的奇异情况下，而且会随时随地发生——在量子物理学中，任何可能发生的事情都会发生。如果霍金是对的，我们会在日常物理学中看到迹象，可能包括严重违反能量守恒定律。
然而，霍金的论点经得起简单的反驳。与烧纸不同，黑洞有视界，信息无法越过视界逃脱。因此，我们似乎有一个尖锐的悖论：要么修改量子力学以允许信息丢失，要么修改相对论以允许信息从黑洞内部逃脱。
还存在第三种可能性——黑洞不会完全蒸发，而是最终变成一个微小的残余物，其中包含创造它的原始恒星的所有信息。然而，这种“解决方案”也有其自身的困难。例如，这样一个包含如此多信息的小物体，将违反贝肯斯坦-霍金的熵概念。
来源：Jen Christiansen
黑洞和膜
弦理论是试图纠正相对论和量子力学碰撞时出现的一些问题的尝试之一，就像在黑洞的情况下一样。这个理论用微小的环或弦取代了先前理论中的点状粒子；这些弦设法消除了量子力学和相对论结合时出现的一些数学难题。然而，用弦代替点，并不能立即改变黑洞的故事。
1995年，当我研究另一种思想实验，研究小空间中的弦时，出现了突破。基于我和其他几个人在几年前所做的工作，我证明了当时的弦理论是不完整的。相反，它需要存在比我们熟悉的空间三维和时间一维更多的维度中的物体。在黑洞中，这些更高维度的物体，称为D-膜，将是非常微小的——包裹在隐藏维度中，小到我们无法探测到。第二年，安德鲁·斯特罗明格和卡姆伦·瓦法，他们现在都在哈佛大学，证明了弦和D-膜共同提供了精确的比特数，来解释黑洞熵，至少对于某些非常对称的黑洞来说是这样。熵之谜部分得到了解决。
接下来的问题是，信息丢失怎么办？然后在1997年，现在在普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西那，提出了一种绕过信息丢失问题的方法——一种有时被称为马尔达西那对偶性的解决方案。对偶性是两种看起来非常不同的事物之间令人惊讶的等价性。马尔达西那的对偶性表明，基于弦理论的结合量子力学和引力的理论——引力的量子理论——的数学，等价于特殊情况下普通量子理论的数学。特别是，黑洞的量子物理学等价于普通热核粒子的气体。这也意味着时空与我们感知到的根本不同，更像是从更基本的二维球面表面投影出来的三维全息图。
利用马尔达西那的对偶性，物理学家们也得到了描述黑洞量子力学的方法。如果马尔达西那的假设是正确的，那么普通量子定律也适用于引力，信息不会丢失。通过一个不太直接的论证，蒸发黑洞不能留下任何残余物，因此一定是信息随着霍金辐射一起出来了。
马尔达西那的对偶性可以说是我们最接近统一广义相对论和量子力学的理论，而马尔达西那是通过追查黑洞熵和信息丢失之谜而发现它的。它尚未被证明是正确的，但它得到了大量证据的支持——足以让霍金在2004年宣布，他已经改变了对黑洞需要丢失信息的看法，并在都柏林举行的国际广义相对论和引力会议上，公开偿还了与物理学家约翰·普雷斯基尔的赌注。
物理学家普遍认为，对于遵守马尔达西那规则的黑洞附近，没有哪个单一观察者会看到任何违反相对论或其他定律的情况，尽管他的对偶性不足之处在于，没有清楚地解释信息是如何从黑洞内部到达外部的。
大约30年前，斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德和荷兰乌得勒支大学的杰拉德·特·胡夫特提出了解决原始信息问题的一个方案，该方案涉及一种称为黑洞互补性的相对论原理。本质上，这个论点认为，跳入黑洞的观察者会看到内部的信息，而留在外部的观察者会看到信息出来。两者之间没有矛盾，因为这两个观察者无法沟通。
防火墙
马尔达西那的对偶性和黑洞互补性似乎消除了所有的悖论，但许多细节尚未填补。2012年，我自己的AMPS合作试图建立一个模型，说明组合图景将如何运作，这建立在俄亥俄州立大学的物理学家萨米尔·D·马图尔和加州大学圣巴巴拉分校的史蒂文·B·吉丁斯的思想之上（并且扩展了，在我们不知情的情况下，英格兰约克大学的塞缪尔·布劳恩斯坦的早期论点）。在反复未能建立成功的模型后，我们意识到问题比我们的数学缺陷更深，并且仍然存在矛盾。
当考虑到量子纠缠现象时，这种矛盾就会出现——量子理论中最违反直觉的部分，也是最远离我们经验的部分。如果粒子像骰子，那么纠缠粒子就像两个骰子，它们的点数总是加起来等于七：如果你掷骰子，第一个是二，那么第二个总是五，依此类推。同样，当科学家测量一个纠缠粒子的属性时，测量也决定了其伙伴的特性。量子理论的另一个结果是，一个粒子只能与另一个粒子完全纠缠：如果粒子B与粒子A纠缠，那么它就不能与粒子C纠缠。纠缠是单配的。
在黑洞的情况下，考虑一个霍金光子；称之为“B”，在黑洞至少蒸发了一半后发射出来。霍金过程意味着B是一对粒子的一部分；称其掉入黑洞的伙伴为“A”。A和B是纠缠的。此外，最初掉入黑洞的信息已被编码到所有霍金辐射粒子中。现在，如果信息没有丢失，并且输出的霍金光子B最终处于确定的量子态，那么B必须与已经逃逸的其他霍金粒子的一些组合“C”纠缠（否则，输出将无法保留信息）。但这样我们就有了矛盾：多配！
拯救量子力学，保持B和C之间的纠缠，并且在黑洞外部没有任何异常现象的代价，是A和B之间纠缠的丧失。霍金光子A和B在它们作为短暂的粒子-反粒子对出现时，开始于视界的内部和外部。在量子理论中，打破这种纠缠的代价，就像打破化学键的代价一样，是能量。打破所有霍金对的纠缠意味着，视界是一堵高能粒子墙，我们称之为防火墙。一个正在坠落的宇航员，与其说是自由地穿过视界，不如说是遇到了一些戏剧性的事情。
在一个不应该发生任何不寻常事情的地方，发现如此大的偏离广义相对论——一堵能量墙——是令人不安的，但论点很简单，我们找不到缺陷。从某种意义上说，我们只是倒过来运行了霍金最初的论点，假设信息没有丢失，并看看这个假设会引向何处。我们得出的结论是，与其说是互补性的微妙影响，不如说是广义相对论的剧烈崩溃。当我们开始向其他人描述这个论点时，常见的反应首先是怀疑，然后是我们经历过的同样的困惑。
要么这些奇怪的防火墙真的存在，要么似乎我们必须再次考虑放弃量子理论的一些根深蒂固的信条。信息可能不会被摧毁，但也许量子力学的一些改写即将到来。不幸的是，观察真实的黑洞将无法决定这个问题——来自防火墙的任何辐射都会被黑洞的引力削弱，使得防火墙非常难以看到。
空间的尽头
此外，如果防火墙存在，它是什么？一种观点是，防火墙只是空间的尽头。也许时空形成的条件在黑洞内部不存在。正如马洛夫曾经说过的那样，也许内部无法形成，因为“黑洞的量子记忆已满”。如果时空无法在内部发生，那么空间就会在视界处结束，而一个坠落的宇航员撞到它时，会溶解成驻留在边界上的量子比特。
为了避免这种奇异的场景，物理学家们试图规避防火墙的结论。一种观点是，由于霍金辐射粒子B必须与A和C都纠缠，那么A一定是C的一部分：视界后面的光子在某种程度上与早期霍金辐射中编码的比特是相同的，即使它们处于非常不同的位置。这个概念有点像黑洞互补性的最初想法，但是要建立这个场景的具体模型，似乎最终又要修改量子力学。来自马尔达西那和萨斯坎德的最激进的想法是，每一对纠缠粒子都通过一个微小的时空虫洞连接，因此，像黑洞内部这样大的时空区域，可以由大量的纠缠构成。
霍金曾提出，广义相对论适用于黑洞，但量子力学失效了。马尔达西那的结论是，量子力学没有被修改，但时空是全息的。也许真相介于两者之间。
已经提出了许多其他想法，其中大多数放弃了一个或另一个长期存在的原则，并且对于解决问题的正确方向，没有达成共识。一个常见的问题是，防火墙对现实生活中的黑洞意味着什么，例如我们银河系中心的黑洞？现在说还为时过早。
目前，研究人员感到兴奋的是，我们发现了物理学中心理论之间的新的矛盾。我们无法明确地说防火墙是否真实存在，这暴露了我们当前量子引力公式的局限性，理论物理学家正在重新思考他们关于宇宙运作的基本假设。由此可能会产生对空间和时间的本质，以及所有物理定律的基础原理更深刻的理解。最终，通过解开黑洞防火墙核心的难题，我们可能会获得将量子力学和广义相对论统一为一个可行的理论所需的突破。