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
黑洞是否被火墙包围？这是否意味着我们一项（或多项）最珍视的物理学原理——我指的是量子理论、信息守恒或爱因斯坦等效原理等重要原理——是错误的？我们的救星会以虫洞的形式出现吗？这些问题正困扰着一些世界顶级的理论粒子物理学家，他们正在争论“黑洞火墙”问题的潜在解决方案——这可能是自斯蒂芬·霍金近四十年前提出他的第一个黑洞信息悖论以来，物理学中最重要的悖论。
每个黑洞都有一个事件视界。任何进入黑洞事件视界的东西都永远无法逃脱，即使是光也不能。然而，我们一直认为事件视界并没有那么戏剧化——如果你要穿过一个事件视界，你不会立即注意到任何异常。
然而，事件视界在许多方面都很重要。考虑到根据量子力学定律，一对虚粒子可以凭空产生。通常，它们很快就会重新结合并相互湮灭，但如果这个过程发生在事件视界附近，一个粒子可能会被吸入黑洞，留下另一个粒子漂移到太空。这意味着黑洞会辐射粒子，这是斯蒂芬·霍金多年前指出的一个奇特的事实。最终，黑洞会失去如此多的粒子以至于它们会缩小并消亡，以霍金辐射流的形式将其质量喷射到宇宙中。
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从另一个角度来看，黑洞吞噬物质——这里的一颗恒星，那里的一个迷途宇航员——然后，随着时间的推移，以霍金辐射的形式将其吐回宇宙。但是因为信息不能被销毁——只能被扰乱——霍金辐射必须包含所有关于掉入黑洞的东西的信息。而这发生的唯一方法是所有的霍金辐射都是纠缠的——也就是说，每个粒子的量子态都共同依赖于霍金辐射中所有其他粒子的量子态。（纠缠是一个奇怪而重要的量子概念。如果您想了解更多，我推荐这个短视频。）
但是请记住，霍金辐射的存在仅仅是因为一对虚粒子凭空产生。一个掉了进去，另一个漂了出去。这两个粒子也必须是纠缠的。不幸的是，量子力学定律禁止滥交纠缠——一个粒子可以与其双胞胎纠缠，或者与来自黑洞的其余辐射纠缠，但不能同时与两者纠缠。
因此，我们面临一个困境。为了使信息守恒，霍金辐射中的粒子必须彼此纠缠。但是为了首先获得霍金辐射，这些粒子必须与掉入黑洞的粒子纠缠。物理学家过去认为这可能是可以接受的，因为没有单个观察者可以检测到两种纠缠。但是AMPS注意到，从黑洞出来的粒子可以被调转方向并送入黑洞，从而照亮双量子关联，并引起无休止的量子恶作剧。为了避免这种情况，他们认为，当粒子穿过事件视界时，原始的量子关联会断裂，产生能量爆发。最终效果：一道火墙。
（有关火墙悖论的更多信息，我建议阅读詹妮弗·奥莱特在鸡尾酒会物理学、丹尼斯·奥弗比在《纽约时报》、泽雅·梅拉利在《自然》杂志、加州理工学院的约翰·普雷斯基尔和加州大学圣巴巴拉分校的乔·波尔钦斯基，他与他的同事艾哈迈德·阿尔姆海里、唐·马洛夫和詹姆斯·苏利一起首次提出了这个悖论——这个四人组现在被称为AMPS。）
黑洞火墙悖论在粒子物理学家中引起了不小的惊奇和困惑。似乎我们对宇宙的核心信仰之一是错误的：要么粒子可以滥交纠缠，导致量子灾难（基本上没有人认真对待这个选项；量子理论和非滥交纠缠规则得到了数十年实验证据的充分支持），要么信息不守恒（另一个不可接受的选项），要么黑洞有火墙（即使是波尔钦斯基也认为这是一个归谬法），或者……我们只是不完全理解真正发生了什么。
因此，为了理清混乱局面，物理学家本周聚集在加州大学圣巴巴拉分校的卡夫利理论物理研究所，讨论各种选择。（他们一直在很好地上传所有讲座的视频，所以如果您有兴趣观看聪明人尝试近乎实时地解决棘手的思想实验，您可以在家关注。）一种最有趣的解决方案可能性来自胡安·马尔达西那和伦纳德·萨斯坎德，他们建立在马克·范·拉姆斯多克和布莱恩·斯温格尔的想法之上。马尔达西那和萨斯坎德假设，火墙问题的解决方案可能以虫洞的形式出现。
虫洞！我觉得自从 90 年代以来我们就没有谈论过它们了。基本上，虫洞是连接空间中两个不同点的理论物体。它们被允许作为广义相对论的爱因斯坦方程的可能解——事实上，爱因斯坦和他的同事内森·罗森首次发现了虫洞，这就是为什么它们也被称为爱因斯坦-罗森桥。不幸的是，虫洞并不完美——爱因斯坦的方程也暗示，任何具有非负能量的东西（也就是说：我们所知道的任何东西）都无法穿越虫洞，因此它们不会很快成为有用的星际门户。
马尔达西那和萨斯坎德，跟随范·拉姆斯多克的脚步，假设任何时候两个量子粒子纠缠在一起，它们都会被一个虫洞连接起来。然后他们继续说，黑洞内部的粒子（掉落的虚粒子）和黑洞外部的粒子（霍金辐射）之间的虫洞连接足以缓和纠缠问题，以便我们可以避开事件视界的火墙。
请注意，这需要对宇宙的基本物质进行深刻的反思。纠缠是一种深刻的量子现象，从根本上与宇宙的几何结构交织在一起。或者，反过来说，量子怪异可能就是创造时空基质的东西。
当然，一切尚未定论。正如马尔达西那和萨斯坎德在他们的论文结尾写道
目前，我们对涉及霍金辐射云的爱因斯坦-罗森桥了解不足，无法得出明确的结论……AMPS悖论是一个极其微妙的悖论，我们相信，它的解决将教会我们很多关于几何与纠缠之间联系的知识。AMPS 指出了关于黑洞内部的深刻而真实的悖论。
如果说悖论有什么伟大的地方，那就是它们的解决需要彻底的突破。我们为这项工作制造的设备可能会将我们带到我们从未梦想过的地方。
图片来自维基共享资源，由乌特·克劳斯、克劳斯物理教育组，希尔德斯海姆大学，时空旅行提供，（银河系的背景图像：阿克塞尔·梅林格）
