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
黑洞是宇宙中最奇特的物体之一，给物理学家们提出了一个悖论。我们最好的两个理论为我们提供了关于这些物体如何运作的两种不同且看似矛盾的图景。包括我自己在内的许多科学家一直试图调和这些观点，不仅是为了理解黑洞本身，也是为了回答更深层次的问题，例如“什么是时空？” 虽然我和其他研究人员多年来取得了一些初步进展，但问题依然存在。然而，在过去一年左右的时间里，我开发了一个框架，我相信这个框架优雅地解决了这个问题，并让我们瞥见了时空如何在最基本层面上涌现出来的奥秘。
问题是这样的：从广义相对论的角度来看，如果物质的密度变得太大，引力就会将物质一直坍缩到中心点，从而产生黑洞。当这种情况发生时，这个区域的引力非常强，以至于没有任何东西——甚至是光——可以逃脱。因此，从外部无法看到黑洞的内部，即使在理论上也是如此，边界，被称为事件视界，就像一个单向膜：没有任何东西可以从内部到外部，但是从外部穿过它到达内部没有问题。
但是，当我们考虑量子力学的效应时，即支配基本粒子的理论，我们得到了另一幅图景。1974年，斯蒂芬·霍金提出了一个让他成名的计算。他发现，如果我们将量子力学效应包括在内，黑洞实际上会辐射，尽管非常缓慢。结果，它逐渐失去质量并最终蒸发。这个结论现在已经通过多种方法验证，其基本有效性是毋庸置疑的。然而，奇怪的是，在霍金的计算中，黑洞发出的辐射并不取决于物体是如何产生的。这意味着，由不同初始状态产生的两个黑洞最终可以得到相同的最终辐射。
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这是一个问题吗？是的，这是一个问题。现代物理学建立在这样的假设之上：如果我们对一个系统有完美的了解，那么我们就可以通过求解运动方程来预测它的未来并推断它的过去。霍金的结果意味着这个基本原则是不正确的。我们中的许多人认为，这个问题在1997年胡安·马尔达西那发现一种新的看待问题的方式时得到了解决，这种方式似乎证明信息没有丢失。
结案了吗？不完全是。2012年，艾哈迈德·阿尔姆海里和加州大学圣巴巴拉分校的合作者在他们有影响力的论文中提出了一个强有力的论点，即如果信息在霍金辐射过程中被保留，那么这与视界的“平滑性”——即物体可以不受影响地穿过事件视界的概念——是不一致的。鉴于信息丢失的可能性被排除在外，他们认为黑洞视界实际上不是一个单向膜，而更像是一堵坚不可摧的墙，他们称之为火墙。
这让理论家们非常困惑。尽管他们不喜欢信息丢失，但他们也讨厌火墙。除其他外，火墙的想法意味着爱因斯坦的广义相对论是完全错误的，至少在黑洞的视界处是这样。事实上，这完全是违反直觉的。对于一个大型黑洞来说，视界处的引力实际上非常弱，因为它远离所有物质所在的中心点。因此，视界附近的区域看起来非常像空旷的空间，然而，火墙论证却说，空间必须在视界的位置突然“结束”。
我的新工作的主要 thrust 是意识到对黑洞有多个层次的描述，而信息的保存和视界的平滑性指的是不同层次的理论。在一个层面上，我们可以描述从远处观察到的黑洞：黑洞是由物质坍缩形成的，最终蒸发，在空间中留下霍金辐射的量子。从这个角度来看，马尔达西那的洞见成立，并且在这个过程中没有信息丢失。那是因为，在这个图景中，一个朝黑洞坠落的物体永远不会进入视界，不是因为火墙，而是因为坠落物体的时钟与远处观察者的时钟之间存在时间延迟。物体似乎慢慢地“被吸入”视界，其信息随后以霍金辐射粒子之间微妙的关联形式发送回空间。
另一方面，黑洞内部的图景是在从坠入其中的人的角度观察系统时出现的。在这里，我们必须“忽略”系统中的精细细节，因为坠落的观察者无法看到这些细节，因为他或她只有有限的时间直到他们到达黑洞中心的奇点。这限制了他们可以访问的信息量，即使在理论上也是如此。因此，坠落的观察者感知到的世界是“粗粒化”的世界。在这个图景中，信息不需要被保存，因为我们为了达到这个视角已经丢弃了一些信息。这就是内部时空的存在可以与信息的保存相容的方式：它们是自然描述在不同层次上的属性！
为了更好地理解这个概念，以下类比可能会有所帮助。想象一个水箱中的水，并考虑一个描述水面波浪的理论。在基本层面上，水由一堆水分子组成，这些分子移动、振动并相互碰撞。凭借对其特性的完美知识，我们可以确定性地描述它们，而不会丢失信息。这种描述将是完整的，甚至不需要引入波浪的概念。另一方面，我们可以通过忽略分子水平的细节并将水描述为液体来关注波浪。然而，原子水平的信息没有在这种描述中保存下来。例如，一个波浪可以简单地“消失”，尽管事实是，产生波浪的水分子的相干运动已经转化为每个分子的更随机的运动，而没有任何东西消失。
这个框架告诉我们，广义相对论提供的时空图景并不像我们可能认为的那样基本——它仅仅是在自然的分层描述中，至少在黑洞内部，在更高层次上出现的一个图景。早些时候已经以不同的形式讨论过类似的想法，但是新的框架允许我们明确地识别相关的微观自由度——换句话说，自然的基石——参与时空的涌现，这令人惊讶地涉及到我们通常认为远离感兴趣区域的元素。
这种思考悖论的新方法也可以应用于杰夫·彭宁顿、斯蒂芬·H·申克、道格拉斯·斯坦福和甄宾·杨最近设计的一个设置，其中马尔达西那的场景被更严格地应用，但在简化的系统中。这使我们能够确定现实黑洞的哪些特征被或未被此类分析捕获。
从笛卡尔和伽利略时代开始，物理学的革命通常与对时空概念的新理解有关，现在看来我们正处于另一场这样的革命之中。我强烈怀疑，我们可能很快就会见证对自然的一个质的不同的、更深层次的理解的出现。