本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
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本周在一次演讲后与同事聊天时，乔·波尔钦斯基说他很想掉进黑洞。大多数理论物理学家都会这样想。这并不是因为他们有什么特殊的死亡愿望，也不是因为现在的科学资助前景如此黯淡。他们只是对将会发生什么感到非常好奇。黑洞是已知物理定律发生最直接冲突的地方。最麻烦的是斯蒂芬·霍金在1976年向世界提出的黑洞信息悖论。波尔钦斯基和他的同事们已经表明，目前的困境比物理学家们过去认为的还要糟糕。今年春天，我在访问圣巴巴拉卡弗里理论物理研究所时第一次听说了他们的头脑风暴，这个团队——波尔钦斯基和他的圣巴巴拉同事唐·马罗夫、艾哈迈德·阿尔姆海里和詹姆斯·苏利——在夏天写成了论文。波尔钦斯基几个月前在博客上谈论了这件事，另一位帮助促成这个想法的理论家约翰·普雷斯基尔上周也这样做了。波尔钦斯基在纽约大学物理系做的演讲吸引了爆满的听众，没有一个人提前溜走，演讲结束后一个小时他还在回答问题。关于霍金最初的悖论（包括我写的）的文章几乎和关于财政悬崖的文章一样多，所以我将直接跳到新版本。论证的第一步是波尔钦斯基和他的合著者称之为“无戏剧性”原则。根据目前的物理学理论，黑洞主要只是空的空间。它的边界或“事件视界”不是一个物质表面，而只是一个假设的位置，标志着不归路。一旦进入内部，你就会被引力紧紧抓住，永远无法逃脱。那时，你以接近光速的速度下落，在到达中心并被压成虚无之前，你有几秒钟的时间环顾四周。但在穿越的那一刻，不应该发生任何引人注目的事情。爱因斯坦最伟大的见解之一是，自由落体的观察者——无论是掉进黑洞还是朝地面坠落——都感觉不到重力，因为他们周围的一切也在坠落。正如他们所说，杀死你的不是坠落，而是最后的突然停止。外部观察者知道你注定要完蛋，但也认为在穿过事件视界时不会发生任何不祥的事情。事实上，这位观察者永远看不到任何东西真正穿过。由于一种引力海市蜃楼，事物似乎减速并冻结在时间中。所有堆积在视界上的物质形成了一个幽灵般的薄膜，它遵守通常的物理定律，并具有粘度和导电性等常规特性。第二步是关联这两个观点。对于坠落的观察者来说，空间看起来像真空，而在量子理论中，真空是一种非常特殊的状态。它是一个没有粒子的空间区域。它不是一个空无一物的区域。电磁场和其他场是无法摆脱的。（如果你可以，这个区域不仅是空的，而且是不存在的。）粒子不过是这些场中的一个振动，而使真空成为真空的原因是所有可能的振动都精确地相互抵消，使场平静下来。为了维持这种精细平衡的状态，振动必须彼此完全量子纠缠。对于外出的观察者来说，视界（或薄膜）将空间一分为二，振动似乎不再相互抵消。看起来好像有粒子向各个方向飞散。这与坠落的观察者的观点完全兼容，因为场是基本的，而粒子的存在是一个视角问题。换句话说，空虚是量子物理学中的一个整体性质——对于一个空间区域的整体而言是真实的，但对于单个子区域而言则不然。为了使两个观点保持一致，外部观察者推断，他或她看到的每个粒子在视界内部都有一个分身。这两个粒子是量子纠缠的，就像你在实验室实验中读到的那些粒子一样。（观看我的同事今年早些时候制作的这个轻松愉快的视频，以解释纠缠。）单独来看，这两个粒子的行为都完全是随机的，但它们在一起形成一对匹配的粒子。参见左图：坠落的观察者看到真空态a，外部观察者看到纠缠的粒子b和b?。粒子b是物理学家所称的霍金辐射的一部分。第三步是考虑黑洞的长期命运。像世界上的一切事物一样，黑洞也必须衰变——量子力学规定了这一点。在这个过程中，黑洞必须逐渐释放出所有掉进去的东西。如果乔·波尔钦斯基跳进黑洞，他将与所有其他做过同样事情的理论家们混杂在一起，这种病态的糊状物将以粒子的形式逐个出现在霍金辐射中。虽然被严重破坏以至于无法辨认，但每一位为知识事业献身的殉道者仍然可以被分离出来并重新拼接在一起。为了实现这种重建，霍金辐射的粒子必须彼此完全纠缠。因此，根据第二步，每个从黑洞飞出的粒子都必须与其在黑洞内部的分身完全纠缠。根据第三步，该粒子还必须与其他从黑洞飞出的粒子完全纠缠。这两个结论相互冲突，因为量子力学认为粒子是单配偶的。它们不能同时与多个伙伴完全纠缠。它们可以部分纠缠，但这不足以确保观察者观点之间的一致性或重建坠落的物理学家。这种黑洞悖论的表述证明了霍金最初的论点。多年来，物理学家们一直希望魔鬼藏在细节中——更精确的计算将揭示一条逃生路线——结果却一再失望。现在他们已经正式放弃了希望。基本前提之一一定是错误的——也就是说，关于现代物理学的某些深层的东西一定是错误的。“你需要巨大的改变，而不仅仅是量子引力修正，才能使霍金的论点无效，”波尔钦斯基在纽约大学聚集的人群中说道。更令人惊讶的是，波尔钦斯基和他的合著者已经表明，斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德倡导的一种流行的黑洞互补性方法也无法解决问题。萨斯坎德认为，虽然坠落和外部观察者可能会看到不同且互不相容的事件，但没有一个观察者可以同时是坠落和外部的，因此没有一个观察者会面临直接的矛盾。在这种情况下，悖论仅仅是概念性的——暗示它在某种程度上是虚幻的，是错误地思考这种情况的产物。但波尔钦斯基和他的同事表明，一个观察者可以通过首先在黑洞外部徘徊，然后再跳进去来抓住一个粒子多配偶的行为。最不激进的结论是“无戏剧性”原则是错误的。掉进黑洞的人不会平静地穿过视界，而是撞到一道火墙并立即被焚化。“我认为这很疯狂，”波尔钦斯基承认。但是，为了使黑洞衰变并且其内容物溢出，正如量子力学所要求的那样，坠落的观察者不能只看到真空。火墙的想法在我看来类似于过去关于黑洞在某种程度上是物质物体的推测——所谓的黑星或暗物质星——而不是仅仅是空白空间。“我被这个问题困扰了20年，”波尔钦斯基说，“现在我仍然和以前一样困惑。”如果能够回答这个问题就好了，哪怕只是为了让任何人都不必亲自去冒险回答这个问题。图表由约瑟夫·波尔钦斯基提供