走出黑洞火墙悖论
作者：苗千
宇宙中最神秘的天体非黑洞莫属。这种天体原本只存在于人们的想象中，在广义相对论诞生之后，它也只存在于理论层面。而后，人们通过天文学观测、引力波探测等手段，不断获得黑洞确实存在的证据，而后甚至直接拍摄到了黑洞的“照片”。这种神秘的天体终于呈现在人们的面前。
无论是黑洞的照片，还是科学家通过电脑模拟获得的黑洞图像，在黑洞黯黑中心的周围，都有一圈明亮的光环。要知道，黑洞可以吞噬一切，连光都不可能逃脱。这一圈明亮的光环，实际上是在黑洞的视界周围，通过黑洞的巨大引力而获得巨大能量的粒子，并不属于黑洞的一部分。
宇宙学家需要观测黑洞，而理论物理学家也经常把黑洞作为研究的对象，就是因为黑洞这种天体是目前人类物理学的两大支柱——量子力学和相对论的交汇之处。黑洞的性质可以同时利用量子力学和广义相对论进行描述。但最大的问题在于，目前这两个理论存在着彼此矛盾之处。也正是因为如此，很多人相信，深入研究黑洞的性质，就可能找到调和这两个理论矛盾之处的关键。近10年来，关于黑洞的理论研究，最大的难题非“黑洞火墙悖论”（black hole firewall paradox）莫属。
所谓黑洞火墙悖论源于10年前几位理论物理学家的一篇论文。在2012年7月，美国加州大学圣巴巴拉分校的物理学家唐纳德·马罗夫（Donald Marolf）、约瑟夫·波尔金斯基（Joseph Polchinski）与研究生艾赫迈德·埃尔迈力（Ahmed Almheiri）、詹姆斯·萨利（James Sully）（这四位作者被并称为AMPS）联合发表了一篇论文《黑洞：互补性或是火墙？》（“Black Holes：Complementarity or Firewalls？”）。这篇论文在发表初期并没有引起太多的关注，但随后却在物理学界引发了长达10年的辩论，至今仍未完全平息。
所谓黑洞火墙悖论的本质，仍然源于量子力学和广义相对论的冲突。根据广义相对论的描述，黑洞因为其自身巨大的引力，存在着一个边界，在这个边界之内，就连光线都无法逃脱——这个边界被称为黑洞的“视界”（event horizon）。问题在于，我们想象一个物体，甚至是一个人，通过了视界，进入到黑洞的内部时会发生些什么？根据广义相对论来看，什么都不会发生。如果一个黑洞足够大，刚刚坠入黑洞视界之内的人甚至不会有特殊的感觉。但是遵从热力学和量子力学的约束，黑洞会向外释放粒子（这也就是著名的霍金蒸发），而坠入黑洞的物质的信息也不会就此消失，而是通过被黑洞释放的粒子存在于黑洞之外——这个过程，最关键之处正是发生在黑洞的视界。
让黑洞的质量减小，最后甚至可能消失的霍金蒸发，就发生在黑洞的视界。根据量子力学理论，在真空中会产生出“虚粒子对”，这些成对出现的虚粒子会不断地产生和湮灭。但因为它们出现在黑洞的边界，就在它们发生湮灭之前，其中带有负能量的粒子进入黑洞，造成了黑洞质量的减小，而具有正能量的粒子则会以霍金蒸发的形式逃离黑洞。考虑到这种量子效应，可以说黑洞也有温度，或者说，黑洞在以一种极其缓慢的速度“燃烧”。
更大的问题随之而来。在黑洞蒸发的过程中，违背了最基本的信息守恒定律，也就是说，黑洞中所蕴含的信息有可能随着霍金蒸发效应永远消失。在黑洞视界处所产生的虚粒子对处于纠缠态。其中的一个粒子进入黑洞造成黑洞质量的减小，而人们也无法从逃出黑洞的另一个粒子中获得任何关于黑洞的信息。也就是说，黑洞成为一个“信息粉碎机”。
霍金蒸发现象与信息守恒定律之间的矛盾曾经长期困扰物理学家。在2012年，AMPS四位科学家提出，有可能就在黑洞的视界存在着一道由黑洞蒸发效应释放的高能粒子构成的“火墙”。任何进入黑洞内部的物质都会在瞬间被火墙所摧毁，从而失去与逃出黑洞的粒子的纠缠状态——看上去，也只有如此，才能在理论上既保证了黑洞的性质，又保全了信息守恒定律。
黑洞的周围，是否真的需要一道火墙？10年来，物理学家们为此争论不休。而最近看似让这场争论走向终结的，正是当年提出黑洞火墙悖论的AMPS四位科学家中的一位。10年时间，让当年加州大学圣芭芭拉分校的博士生艾赫迈德·埃尔迈力（Ahmed Almheiri）完成了博士学位。在斯坦福大学和普林斯顿高等研究院进行研究之后，如今埃尔迈力已经是纽约大学阿布扎比分校的物理学教授。他与几位合作者于2019年在《高能物理学报》（Journal of High Energy Physics）发表一篇论文，利用一种极富想象力的思路找到了解决黑洞火墙悖论的思路。他们通过一种以量子理论处理黑洞时空的方法，认为黑洞内的量子时空处于一种复杂的叠加态，在不同的黑洞之间，它们的量子时空可能会出现一个存在时间很短的“虫洞”使它们的内部可以连通。而在黑洞内部存在着叫作“岛”（islands）的时空，彼此之间可以进行交换——这样，从理论上来说，黑洞与它辐射的粒子之间就不再有量子纠缠。
这个大概永远也无法通过实验验证的理论问题，已经困扰了物理学家们10年时间。如今，通过这样一个更加新奇且大胆的设想，黑洞火墙悖论似乎终于有了被解开的希望。这种关于黑洞性质的理论研究，距离人们的实际生活确实太过遥远。而且因为人类可能永远都无法利用一个真实的黑洞进行实验，这种纯粹在理论层面进行的计算和探讨也难免给人一种坐而论道的感觉。实际上，这也是现代物理学研究中不可缺少的一部分。
[本文写作参考了艾赫迈德·埃尔迈力在《科学美国人》（Scientific American）杂志发表的文章《How the Inside of a Black Hole Is Secretly on the Outside》] 黑洞