时空是什么？一个全新的答案，或许藏在黑洞信息悖论中

人类首次证实黑洞与中子星碰撞

　　我们能否解决黑洞信息悖论？答案或许是肯定的。在这一过程中，我们对黑洞和自然的认识将会发生实质性的改变，进入到更加微观的层次。

　　撰文 | 野村泰纪（Yasunori Nomura）

　　翻译 | 赵剑琳

　　作为宇宙中最特别的一种天体，黑洞蕴含着一个物理学家尚未解决的悖论。目前，两个主流的物理学理论在解释黑洞如何运作时，产生了完全不同甚至矛盾的结果。

　　包括我在内的很多科学家尝试去调和这些观点，不仅是为了增进对黑洞的了解，更是想要去回答一些更加深刻的问题，例如“时空是什么”。

　　虽然我们在过去的时间里已经取得了一部分成果，但问题并没有得到解决。不过，我在过去几年建立了一个理论框架，我相信它可以很好地解决这个问题，让我们在最基本的层面上理解时空的奥秘。

　　我们面对的问题是：根据广义相对论的观点，当天体的密度过高，在引力作用下物质向中心坍塌，并形成了黑洞。黑洞生成时，由于其区域内的引力极强，任何物体——甚至是光线——都无法从中逃离。从原理上讲，我们无法从黑洞外面观测其内部，而黑洞被称为“事件视界”的边缘就好像是一个单向薄膜：物质无法从黑洞内部向外部逃逸，但却能从黑洞外部很容易地进入其内部。

　　但当我们利用解释基本粒子运动的量子力学效应考虑这一问题时，会得到不同的答案。1974年，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出了著名的霍金辐射。他发现如果我们考虑黑洞的量子力学效应，它实际上在非常缓慢地释放辐射。而这会导致黑洞不断损失质量，并最终消亡。如今，这一结论已经得到了多种方法的验证，它的正确性已经毋庸置疑。

　　不过，一个奇怪的地方在于，在霍金的计算中，黑洞释放的辐射与它的形成方式无关。这意味着两个通过不同的初始态形成的黑洞，最终以同样的方式释放辐射。

　　而这毫无疑问是一个问题。现代物理学建立在这样的假设上：如果我们对于一个体系具有充分的认知，我们就能解出其运动方程，从而预言它的未来、推断它的过去。而霍金给出的结论意味着这一基本原则是错误的。很多科学家认为这个问题已经在1997年得到了解决，当时胡安·马尔达西纳（Juan Maldacena）提出了一种新方法来解释这一问题，似乎能证明黑洞并没有损失信息，但他并没有真正解决这个问题。

　　2012年，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的艾哈迈德·阿尔姆海里（Ahmed Almheiri）和同事们在一篇影响力很大的论文中提供了一项有力论据，证明如果黑洞在霍金辐射过程中不存在信息丢失，那它与事件视界的“平滑”就会产生矛盾。他们在论文中提出，事物可以不受干扰地通过事件视界。当不考虑信息丢失时，他们认为黑洞的事件视界事实上并不是一个单向薄膜，而是类似于某种坚固的墙，他们称之为“火墙”。

　　这让理论物理学家十分困惑，虽然他们不愿意认同信息丢失，但同样也无法接受这个火墙理论。其他暂且不论，火墙理论暗示爱因斯坦的广义相对论存在问题，至少在解释黑洞事件视界时是错的。

　　实际上，这个理论是完全违背直觉的。对于大质量黑洞，事件视界处的引力确实很弱，这是因为它距离物质汇聚的黑洞中心太远。因此，事件视界附近的区域看起来就像是完全的真空，但火墙理论认为，空间在黑洞的“事件视界”上会突然“终结”。

　　我的新工作的重点是，一个黑洞存在着多个层次的描述。黑洞信息的留存和事件视界的平滑对应的是不同层次的理论。在一个层次上，我们能从远距离描述一个黑洞：黑洞形成于物质坍塌，最终会蒸发消亡，在太空中留下霍金辐射的量子。从这个视角来看，马尔达西纳的观点十分恰当，而这一过程中黑洞并没有丢失信息。因为在这一场景中，一个落向黑洞的事物永远不会进入事件视界，这不是由于火墙的存在，而是因为落入黑洞的事物和远方的观测者之间存在时间滞后。事物看起来好像正“缓慢地”被事件视界吸入，随后它的信息会通过霍金辐射中粒子之间的微妙联系，返回到太空中。

　　在另一方面，如果我们从一个正落入黑洞的人的角度来观察整个体系，就能看到黑洞内部的情况。不过我们必须忽视这一观测体系中某些细节，例如，正下落的观测者可能在转瞬之间就落入黑洞中心的奇点，来不及看到任何东西。理论上，在这一过程中，他们能够获取的信息是极其有限的。因此，下落的观测者感知到的世界，是非常“粗略”的。而在这种情况下，并不需要保存信息，因为我们为了达到这一观察视角，早已丢弃了一些信息。

　　这也就是黑洞内部的时空与信息留存的相容方式：它们对黑洞性质的描述处于不同的层次上！

　　为了更好地理解这一概念，我们可以利用这样的类比。想象一个装满水的罐子，一种理论能描述它表面的水波。在最基本的层级上，水是大量水分子的集合，它会运动、振动，彼此碰撞。在我们充分理解其特性的前提下，我们可以准确地描述它，且不会丢失任何信息。这种描述是完整的，甚至不需要引入波的概念。在另一方面，我们可以忽视这个分子视角，将视线聚焦于水波，将水描述为一种液体。但是，在这一描述中，并不会包含水在原子水平上的信息。举例来说，我们可以简单地形容水波“消失了”，虽然事实是构成了波的分子连续运动转化成了分子的随机运动，但没有任何物质真正消失。

　　这一理论框架告诉我们，广义相对论描述的时空景象并不像我们所以为的，是一种最基本的描述。至少它对黑洞内部的描述，在黑洞的多层次性质描述上，处于一个相对较高的层级。

　　科学家曾通过多种形式讨论过类似的观点，但是这个新的理论框架，让我们可以明确地判断出一些相对微观的自由度，或者说是自然的基本结构单元。它参与了时空的形成，并很可能蕴含着一些远在我们兴趣之外的理论。

　　这种关于黑洞悖论的新的思考方式，也可以应用于最近由杰夫·普宁顿（Geoff Penington）、史蒂芬·H·申克（Stephen H。 Shenker）、道格拉斯·斯坦福（Douglas Stanford）和杨振斌（音译）开展的项目中。该项目计划将马尔达西纳描述的黑洞场景应用于一些更加严格但简化的系统。这会帮助我们辨别一个真正的黑洞有哪些特性能够或是不能通过理论分析。

　　从笛卡尔和伽利略的时代开始，物理学革命就通常与对时空概念的新理解密不可分，而我们似乎正处于这样一场变革的途中。我认为用不了多久，我们就能对自然产生新的理解，而后者不仅会有质的改变，且会更加深刻。

　　本文转自环球科学