本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点。
也许您已经听到一些传闻,物理学家们正在争论黑洞和被称为“防火墙”的东西:也就是说,我们应该质疑长期以来的假设,即某人穿过黑洞的事件视界不会注意到任何异常,直到他们接近奇点——届时他们将体验到加州理工学院物理学家基普·索恩曾经称为“面条化”的现象。
那么,如果我们掉进黑洞不会被面条化,那会发生什么呢? 在我们开始穿越的那一刻,被火墙活活烧死怎么样? 我的《大众科学》博主同事乔治·穆瑟已经报道了弦理论家约瑟夫·波尔钦斯基最近在纽约大学的一次演讲,他在演讲中论证了这种情况。 波尔钦斯基是这项有争议的提议背后的四位共同作者之一(以首字母缩写词 AMPS 而闻名)。 现在我写了一篇文章(在《大众科学》和新生的西蒙斯科学新闻,这是西蒙斯基金会的新 venture)中,分析了其中的利害关系。
这是正在进展中的物理学,因为物理学家们仍在争论如何最好地解决这个已经变得非常有趣的悖论。 您可以浏览本文底部的链接参考文献,以获取更多技术讨论(包括博客文章和原始论文)。 观看整个事情的进展会很有趣,因为即使防火墙情景最终被证明是错误的——而且许多物理学家认为情况会是这样——它也可能以一种有趣的方式是错误的。
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写这篇报道几乎让我崩溃。 这意味着要努力理解一些非常宏大的想法的细微之处,只是为了照亮我自己的无知,然后才去寻找一种传达基本要素的方法。 (至少有一个晚上,时间领主回家发现我在客厅里踱步,喃喃自语,“该死的防火墙……” 我相信一些物理学家也有同感。)
对于科学作家来说,最艰难的挑战之一是将这种高级抽象的主题传达给从未听说过 AdS/CFT 对偶性、霍金辐射、佩奇时间、互补性、单配偶量子纠缠、信息悖论、黑洞熵、非定域性、有效场论,甚至爱因斯坦等效原理等概念的普通读者——所有这些概念都是防火墙辩论的核心。
这甚至还没算上更奇特的想法,例如镜像黑洞、模糊球、灰体、普朗克尺寸的残余物和婴儿宇宙,所有这些都在物理学家聚集讨论防火墙时被提及。
大多数人永远没有机会观察和与物理学家在他们的自然栖息地互动,这很遗憾,因为没有比这更好的方式来了解这个领域的全部内容了。 感谢伦纳德·萨斯坎德的慷慨,我有幸参加了在斯坦福大学举办的特别研讨会(实际上更像是一次头脑风暴会议),并观看了大约 50 位物理学家在萨斯坎德担任裁判时就细节进行争论。
期间有挫败感,也有无奈的笑声——例如,约翰·普雷斯基尔在讲话中停下来对一位同事说(“你看上去不高兴。好吧,我不在乎你是否不高兴”),然后继续。 事情偶尔变得激烈——“我认为有人实际上以类空间的方式画出了从黑洞中出来的奇点,这真是太棒了!” 一位物理学家抱怨道——但从来没有不文明,因为在场的所有人都团结一致,热衷于解决这个悖论,或者至少更好地划清问题的界限。
在第一天快结束时,当大家精力都开始衰退时,一位充满活力的野村泰纪通过与波尔钦斯基(尤其是他)的活跃而快节奏的交流,让大家重新振作起来。 总的来说,参与者似乎真的很享受其中。 他们为什么不应该呢?
现在还处于早期阶段:虽然有些人认为他们已经解决了这个难题,而且他们的论点最终可能会占上风,但尚未形成强烈的共识,因此这个问题仍未解决。 有传言称四月份将举行一次关于防火墙的会议,也许到那时,该领域将凝聚成一个解决方案。 这就是关注正在进展中的物理学的令人兴奋之处。
出于必要,考虑到目标受众,最终的文章以最概括的方式描绘了防火墙悖论。 我专注于 AMPS 论文中概述的三个核心问题,勾勒出最基本、最精简的逻辑论证,以展示为什么首先存在悖论——并希望捕捉到一些物理学家思考和处理他们工作的方式的味道。 他们不仅仅是在编造疯狂的想法来迷惑我们,各位! 这些都是严谨、细致入微的论证,有着悠久的历史,并得到了大量数学的支持。 大量、大量、大量的数学,加上偶尔潦草的图表。
为了包含所有最后的细节,这篇文章将不得不写到 6000 字左右,坦率地说,很少有普通读者愿意费力阅读所有血淋淋的细节。 因此,如果一个人不能做到全面,为什么还要费心尝试呢? 因为防火墙! 这就是原因! 说真的,这个概念有多酷? 没有什么比死于黑洞更令人兴奋的了——问问尼尔·德格拉斯·泰森就知道了——现在可能不止一种死亡方式了。 面条化,还是焚化? 任你选择。
抛开玩笑不谈,正是这种挑战让我更加热爱我的工作,因为我在这个过程中学到了很多东西——这意味着我可以不断提高我的工作水平。 当然,我可以选择安全的方式,避开像黑洞防火墙这样的棘手主题,但那又有什么冒险呢? 偶尔突破界限并冒着失败的风险,总比从不尝试要好。 这就是科学进步的方式,也是像我这样的科学作家学习和专业成长的途径。
当然,为了实现这一点,我非常感谢萨斯坎德、波尔钦斯基、拉斐尔·布索、普雷斯基尔、野村,是的,还有时间领主——点击此处阅读他的博客文章——这些物理学家的友善和耐心,他们都花时间为我解释了一些事情,从而拯救了我的理智,并使文章更加连贯。
这就是现实:翻译总会有所损失,因为理论物理学和宇宙学的顶层水平,甚至是有一定科学素养的读者之间的差距都非常大。 信息很少能从理论物理学的黑洞中渗透出来,让普通观察者能够理解。 这需要科学家、科学作家和专注的读者共同努力才能弥合这一差距。 这就是科学传播的本质。
最终结果是否不完美且不完整? 是的。 那么,一篇不完美的文章是否仍然值得所有为弥合差距所做的集体努力? 是的。 仅仅因为沟通很困难,并不意味着它不值得做。 恰恰相反。
在斯坦福大学研讨会期间,我发现自己思考着史蒂芬·霍金的困境,因为他的信息悖论和霍金辐射被证明是讨论的核心。 在霍金的案例中,你拥有一个聪明的头脑,拥有各种有用的见解,但由于卢伽雷氏症的性质,他被困在一个隐喻的事件视界之后。 然而,霍金总是设法找到让信息泄露出来的方法。 近年来,他的沟通变得越来越困难,但他仍然在这样做。 物理学因此变得更好。 科学传播也是如此。
说到弥合两种文化之间的差距:物理学家有时将黑洞的事件视界称为一种膜,而 Jen-Luc Piquant 偶然发现了视觉艺术家亚伦·舍伍德(与迈克尔·艾利森合作创作)名为“防火墙”的令人惊叹的展览,该展览使用交互式织物表面——一种膜。 根据 Colossal 的说法:“不同的光 ‘模式’ 投射到紧绷的氨纶膜上,然后氨纶膜会根据触摸做出动力学反应。” 这是一个更温和、更柔和版本的防火墙,在下面的视频中配上了动听的音乐。
参考文献
Almheiri, Ahmedl Marolf, Donald; Polchinski, Joseph; 和 Sully, James. (2012) “黑洞:互补性还是防火墙?” arxiv.org
爱因斯坦, A., 波多尔斯基, B., 和 罗森, N. (1935) “物理现实的量子力学描述可以认为是完备的吗?” Physical Review 47, 777-780.
布索, 拉斐尔. “互补性是不够的,” arxiv.org.
霍金 S. (1975) “黑洞产生粒子,” Communications in Mathematical Physics 43(3): 199-220.
马尔达西那, J.M. (2003) “反德西特空间中的永恒黑洞,” JHEP 0304, 021.
野村, Y., 瓦雷拉, J., 和 温伯格 S.J. (2012) “互补性依然存在:下落观察者没有防火墙,” arXiv:1207.6626
佩奇, 唐. (1980) “黑洞蒸发可以预测吗?” Physical Review Letters 44: 301–304.
波尔钦斯基, 约瑟夫. “客座文章:黑洞、互补性和防火墙,” Cosmic Variance, 2012 年 9 月 27 日。
普雷斯基尔, 约翰. “爱丽丝在燃烧吗?黑洞防火墙争议,” Quantum Frontiers, 2012 年 12 月 3 日。
萨斯坎德, L., 索拉修斯, L., 乌格拉姆, J. (1993) “拉伸视界和黑洞互补性,” Physical Review D 48: 3743-3761.
萨斯坎德, 伦纳德. (2012) “奇点、防火墙和互补性,” arxiv.org.