几年前，一个化学家团队将煮熟的鸡蛋还原为生鸡蛋。煮沸会导致鸡蛋中的蛋白质分子相互缠绕，而离心机可以解开它们，使其恢复原状。这项技术在厨房中的实用性值得怀疑，但它巧妙地证明了物理学的可逆性。物理世界中的任何事物都可以双向运行——这是物理定律最深刻的特征之一，反映了空间、时间和因果关系的基本对称性。如果你将系统的所有部分都倒转，那么已经完成的事情将被撤销。倒转时钟所需的信息始终被保留。当然，在简单的系统中撤销一个过程可能很容易，但在复杂的系统中则不然，这就是鸡蛋还原器如此巧妙的原因。
但有一个令人不安的例外：黑洞。如果一颗质量足够大的恒星在自身重量的作用下坍缩，其引力会无限增强，并将物质锁定在其中。跳入其中一个，就无法回头。将两个黑洞合并在一起，就无法将它们分开。黑洞向宇宙呈现出一个几乎完全没有特征的外观。看着它，你无法分辨出是什么东西掉了进去。黑洞似乎没有保留信息。物理学家大卫·芬克尔斯坦在 1958 年首次意识到了这种不可逆性，这是黑洞信息悖论的最早迹象——“悖论”是因为可逆定律怎么会产生不可逆的效应？这个悖论预示着物理学家对世界的理解存在更深层次的弊病。科学家们有很多理由去寻求自然的大统一理论，但信息悖论是他们最具体的动机，并且在他们几乎无路可走的时候，它指引了他们的方向。
在谜题出现 60 多年后，物理学家终于看到了解决的希望。在 COVID 疫情爆发前的一年以及整个封锁期间，一个理论家联盟在理解这个悖论方面取得了巨大进步——一些人说，这是几十年来的最大进展。他们支持了黑洞尽管外表看起来不可逆，但实际上是可逆的观点，并且消除了官方的悖论。物理理论不再与自身矛盾。然而，这项工作存在争议，并且按照其支持者自己的说法，它充其量只是对黑洞的完整解释的起点。
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直到最近，物理学家几十年来在这个悖论上取得的大部分“进展”都包括意识到这个问题比他们想象的还要困难。芬克尔斯坦最初的工作留下了漏洞。首先，它基于爱因斯坦的广义相对论，物理学家知道这并非全部，因为它遗漏了量子效应。在 20 世纪 70 年代，斯蒂芬·霍金——以使他家喻户晓的工作——首次尝试将这些效应包括在内。他的计算预测黑洞会缓慢释放能量。但是这种辐射不携带任何有关掉入其中的事物的信息，因此无助于倒转时钟。如果说有什么帮助的话，那就是外泄的粒子流使困境更加恶化。黑洞最终会耗尽能量并像夏日的水坑一样蒸发消失。它囚禁的所有物质都没有被释放，而是被消灭了。霍金的分析将普遍的不安提升为物理学的全面危机。
1993 年，霍金的前研究生唐·N·佩奇（现任职于阿尔伯塔大学）将这个洞挖得更深。他表明，如果黑洞要吐出其信息，它就不能等到临终时刻，而必须在其寿命大约一半的时候开始。这意义重大，因为中年黑洞的体积与其原始体积相比只会略微缩小，并且仍然应受普通物理定律的支配。因此，物理学家不能仅仅将整个问题归咎于未知的奇异物理学；它表明即使在最成熟的理论中也存在不一致性。2009 年，俄亥俄州立大学的萨米尔·D·马图尔进一步表明，对霍金计算的细微调整是行不通的。有些重要的东西不见了。
佩奇和马图尔分析的关键要素是量子纠缠，这是一种特殊的关联，粒子即使在没有力或其他影响将它们联系起来时也可能具有这种关联。纠缠本身就很神秘，但物理学家可以将其放在一边，并询问它对黑洞意味着什么。大多数掉入黑洞的粒子都与留在外面的粒子纠缠在一起，如果要使黑洞保留信息，就必须保持这些联系。然而，根据新泽西州普林斯顿高等研究院的艾哈迈德·阿尔姆海里及其同事在 2013 年进行的一项有影响力的研究，这些联系不能简单地转移到霍金假设的外泄粒子上，至少在不引起其他麻烦的情况下不能。
因此，黑洞可能是可逆的，但理论家的困惑只是单向的。从好的方面来看，对悖论的研究已经衍生出关于引力、时空和物理学统一的想法。首先，黑洞暗示空间容纳物质的能力有限——你只能将物质尽可能紧密地堆积起来，然后它会内爆形成黑洞。奇怪的是，空间的存储容量随着区域的面积而不是体积而扩大。空间看起来是三维的，但表现得好像是二维的。它具有一种虚幻的品质，我们通常对此浑然不觉，但在黑洞中却变得显而易见。
这种认识是后来被称为全息原理的起源，全息原理是现代理论科学中最令人着迷和困惑的想法之一。它说，我们体验到的至少一个空间维度并非自然的根本，而是从量子动力学中产生的。全息原理最完善的版本是所谓的 AdS/CFT（反德西特空间/共形场论）对偶性。它将宇宙视为一个巨大的水晶球。在一个版本中，一个称为体（AdS）的三维空间被封装在一个二维边界（CFT）内。体和边界在数学上是等价的（“对偶”），尽管理论家通常认为边界更根本，而体从中涌现出来。体中发生的任何事情在边界的影子世界中都有一个平行。如果一颗行星在体中绕恒星运行，那么行星和恒星的阴影会在边界上跳舞。
多年来，科学家们不断完善这种对偶性。今天，物理学家不仅可以将 3D 空间等同于 2D 空间，他们还可以将 3D 空间的特定部分与 2D 空间的特定部分相匹配。他们还可以关联双方的特定物理量。马萨诸塞理工学院的内塔·恩格尔哈特和剑桥大学的阿伦·沃尔在 2014 年开发的这种对应关系的最先进版本将表面积与量子纠缠量联系起来。这些非常不同的量实际上是相同的，这种等价性让理论家得以一窥自然的潜在统一性。
有了所有这些要素，理论家们得以对黑洞信息悖论发起新的攻击。2019 年，阿尔姆海里、恩格尔哈特及其同事，以及加州大学伯克利分校的杰夫·彭宁顿（他使用的是大致相似的方法）（独立地）能够展示信息如何以佩奇规定的方式从黑洞中逃逸。（在阿尔姆海里的文章中阅读更多关于这一突破的信息。）通过这样做，研究人员证实黑洞毕竟是可逆的。同年晚些时候，这些作者和其他作者再次分成两个平行的团队工作，再次检查了外泄的辐射是否携带了黑洞释放出的信息。这一次，他们的计算并没有直接依赖 AdS/CFT 对偶性。相反，他们采用了与霍金基本相同的数学技术。正如佩奇所论证的那样，如果悖论在于成熟的理论，那么它的解决就不应该取决于像 AdS/CFT 这样花哨的东西。
团队证实并非如此。黑洞积累了如此巨大的纠缠量，以至于时空几何发生了剧烈的转变。黑洞内部和周围的时空呈现出复杂的形状，包括类似于科幻小说中的时空门户的虫洞。这些虫洞将黑洞的内部与外部世界连接起来，尽管它们如何使信息逃逸仍然不清楚。尽管这种几何转变听起来可能很奇怪，但它完全符合现有的物理学。无论您对黑洞有什么看法，它们都不再是悖论——它们并不代表当前理论内部的不一致性。
即使按照现代物理学的标准，这些计算也令人望而生畏。怀疑论者印象深刻，但这并没有阻止他们挑剔论证中的漏洞。然而，当辩论如火如荼地进行时，疫情爆发了，科学研究陷入了停滞。直到 2021 年底，面对面会议才恢复。一些物理学家当时表示，Zoom 科学研究与以往不同，支持者和怀疑论者并没有真正相互交流。“也许这部分是疫情的功能，即该领域更加分裂，”班加罗尔塔塔基础研究所的苏夫拉特·拉朱说。
在一次特别尖锐的批评中，拉朱及其同事抱怨说，这两个团队的设置非常牵强。在某种程度上，大多数理论模型都可以这样说，但这些作者说，这个模型做出了并非完全无辜的理想化假设。例如，它假设引力不仅随着距离减弱，而且最终会完全消失。这种假设从根本上改变了这种力的性质，因此，尽管技术上是正确的，但这些计算对真实世界中的引力或黑洞几乎没有说明作用。
马图尔和其他人还认为，这项新工作暗示了一种非局域效应——一种不通过空间传播，而是从一个地方跳到另一个地方的效应——从黑洞中提取信息。这本身并不令人惊讶。物理学家普遍认为，黑洞需要非局域效应才能说得通。但是，这些分析中特定类型的非局域性在一些怀疑论者看来是不可信的。
拉朱和马图尔都提倡信息悖论的替代解决方案。拉朱认为，信息不必从黑洞中逃逸出来，因为它已经在外面了。他说，引力有一个长尾——这种力在无限范围内起作用——这阻止了信息被束缚在任何地方。黑洞外部的引力场、电磁场和其他量子场保留了掉入其中的任何东西的印记。“这个区域信息丰富，”拉朱说。马图尔则认为，真正的黑洞永远不会真正形成。根据弦理论，当一颗恒星开始坍缩时，它会唤醒奇异的物理学，根据弦理论，所有粒子都是更原始类型的物质中的振动模式。弦物理学阻止了坍缩，留下了一颗高度致密的恒星，也称为模糊球。这颗小恒星不会在引力上将自身隔离，信息会随着它的光线传输出去。
这些想法及其变体也有批评者。事实上，马图尔和拉朱对彼此的方法存在分歧。因此，黑洞的本质仍然悬而未决。而且，延续历史趋势，理论家们在发现新难题方面比解决旧难题方面做得更好。近年来，斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德又注意到了黑洞的另一个悖论。黑洞内部的空间非常具有弹性，以至于它们的内部体积应该永远增长。然而，这种膨胀将违反任何封闭系统都将达到平衡的原则。一些迄今为止未被怀疑的物理学最终必须介入以稳定内部。
萨斯坎德和其他人还发现，黑洞是非常混乱的系统，在其没有特征的外表下漩涡和沸腾。至少，黑洞的这一方面可以在计算机模拟和实验室实验中进行研究。创造一个真正的黑洞是他们无法企及的，但实验主义者正在研究离子、凝聚物和其他物质系统中相同的混沌动力学。他们运行系统，然后解开它；将其恢复到精确的起点需要精湛的精度，这表明即使黑洞在原则上是可倒带的，但看起来也可能是不可逆的。
与此同时，理论家们认为适用于黑洞的也可能适用于整个宇宙。由于我们的宇宙正在加速膨胀，因此它具有类似于黑洞事件视界那样的单向表面，物理学家希望关于黑洞的见解也能揭示宇宙的秘密。（在埃德加·沙古利亚的文章中阅读更多关于这个想法的信息。）
说实话，物理学家们很高兴黑洞被证明如此难以理解。如果问题如此之难，那么解决方案一定很深刻。