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黑洞是现代广义相对论中存在于宇宙空间中的一种密度无限、体积无限小的天体。当遇到黑洞时，所有的物理定理都会失败。任何进入黑洞视界的物质和辐射现在都无法逃脱，甚至光速目前也没有用。

2012年3月，约瑟夫·波尔钦斯基开始思考自杀的过程——当然是从数学的角度。玻尔·金斯基是加州大学圣巴巴拉分校柯维理论物理研究所的弦物理学家。他正在思考如果宇航员掉进黑洞会发生什么。显然，他会死，但为什么？

根据以前的解释，起初他不会有任何特别的感觉，即使当他跌倒并越过看不见的边界，没有什么能逃脱--黑洞的视界。但是，几个小时、几天甚至几周之后(只要黑洞足够大)，他会觉得脚上的重力比头上的大。他继续下落，被无情地带到了黑洞的深处。巨大的重力差异把他的身体撕成了碎片。最终，他的遗体将落入一个无限密度黑洞的核心。

但是波尔·金斯基的计算表明情况并非如此。参与计算的还有他的两个学生艾哈迈德·阿尔姆和詹姆森·萨利，以及他的同事，加州大学圣巴巴拉分校的弦物理学家唐纳·马罗夫。在他们的结果中，量子效应将把黑洞的视界变成由热粒子流形成的漩涡。任何落入黑洞视界的人都会遇到火墙，并立即被烧成灰烬。

2012年7月，他们公布了这一结果，震惊了物理学界。因为它违反了爱因斯坦的基本物理原理——等价原理，这个原理是一个世纪前作为广义相对论的基础提出的。等效原理认为，坠落的观察者在重力作用下看到的现象与漂浮在没有任何物体的空间中的观察者看到的现象完全相同，即使是在黑洞内部如此强大的引力场中。没有这个基本原则，爱因斯坦的理论框架就会崩溃。

玻尔·金斯基和他的合作者知道这个结果意味着什么，所以他们给出了另一个可能的结果，那就是火墙无法形成。然而，这个计划也需要付出“高昂的代价”，也就是说，物理学家必须放弃物理学的另一个重要支柱——量子力学。然而，量子力学在描述亚原子粒子相互作用的理论中绝对占主导地位。

玻尔·金斯基的这一成果引发了关于防火墙的一系列讨论和大量相关研究论文。所有的报纸都尽力摆脱上述僵局，但没有一份让所有人满意。圣巴巴拉加州大学的量子物理学家史蒂夫·吉丁斯认为，“需要革命性的理论来解决物理学基金会面临的危机”。

受到这个问题的困扰，2013年4月，黑洞专家聚集在瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究所，面对面地解决了这个问题。他们希望找到一个统一的理论来引导“量子引力”。这个统一的理论可以统一自然界所有的基本力量，这是物理学家几十年来梦寐以求的。

加州大学伯克利分校的弦物理学家拉斐尔·博索在会议报告的开头说，“防火墙观点”已经“动摇了大多数人相信的黑洞的理论基础”。它从根本上指出了量子力学和广义相对论之间的矛盾，但并没有指出我们下一步应该走的方向。”

霍金的赌博

防火墙危机的起源可以追溯到1974年。当时，英国剑桥大学的物理学家霍金证实，量子效应可以使黑洞具有温度。即使黑洞与外界完全隔绝，它也会慢慢放出热辐射——光子或某些粒子——并逐渐减少质量，直到完全蒸发(见图)。

当然，这些粒子不会形成火墙。从地平线坠落的宇航员永远不会注意到这种辐射，因为由相对论引起的差异非常小。然而，霍金的结果仍然令人惊讶——特别是，广义相对论方程告诉我们，黑洞只会吞噬物质并成长，而不是蒸发。

霍金的结论基本上表明，量子力学世界中的“真空”不是空的，可以通过观察来验证。在量子世界的微观尺度上，世界是永恒的混沌，粒子和相应的反粒子总是产生、重组和湮灭。只有在非常精细的实验中，这种微观混沌才能产生可观察到的效果。霍金指出，当一个粒子-反粒子对就在黑洞视界表面产生时，一个粒子将在重组前落入黑洞视界，而剩余的粒子将作为辐射向外移动。被吞噬的粒子携带负能量，这是量子理论所允许的，并且精确地平衡了辐射携带的正能量。粒子的负能量将从黑洞的质量中扣除，导致黑洞收缩。

霍金的最初分析后来被许多研究者完善和扩展，他的结论被广泛接受。然而，与此同时，黑洞辐射和量子理论之间令人费解的矛盾正在逐渐显现。

量子力学认为信息不会被破坏。原则上，通过测量辐射粒子的量子态，有可能获得所有关于物体落入黑洞的信息。然而，霍金证明了事实远非简单:辐射逃逸是随机的。无论扔进一公斤石头还是一公斤电脑芯片，结果都是一样的。尽管我们一直在观察黑洞的灭绝，但我们无法知道黑洞是如何形成的，以及哪些物体会落入黑洞。

这个问题被称为黑洞信息悖论，将物理学家分为两个阵营。像霍金这样的一个团体认为，当黑洞死亡时，所有的信息都会消失。如果这违反了量子理论的原则，我们需要找到一个更好的理论。另一个，像加利福尼亚理工学院的量子物理学家约翰·普莱斯基尔，被量子力学困住了。“我努力建立一个包括信息丢失的理论，”他说，“但是我找不到一个有任何意义的理论——没有人能做到。”僵局持续了20年，直到1997年一个著名的猜想被提出。威望与霍金打赌，信息不会减少，输家将购买一套由对方指定的百科全书。

那一年，哈佛大学物理学家胡安·马尔达切娜的发现打破了僵局。玛达·仙娜的发现基于一个更早的理论，即我们宇宙中的任何三维区域都可以用包含在二维边界中的信息来描述，就像激光可以在二维全息图上存储三维图像一样。斯坦福大学的弦物理学家莱昂纳德·苏斯金德说:“我们可以把全息图作为一种象征。”他是最早提出这一想法的人之一。他还说，“经过更多的计算，我们发现把宇宙看作是信息在界面上的投影是有意义的。”

玛达·仙娜用一个特定的数学公式表达了全息图。这个公式利用了超弦理论，该理论认为基本粒子是不断振动的微小能量环。在他的模型中，包含弦和黑洞的三维宇宙只受重力支配。在二维界面上，基本粒子和场遵循量子力学的一般规律，不受重力影响。假设边界是无限的，三维空间中没有生物能看到边界，但这没有效果。三维宇宙中发生的任何事情都可以用二维宇宙中的方程很好地描述，反之亦然。玛达·仙娜说，“我找到了一本‘数学词典’。有了这本字典，我们可以来回转换二维和三维世界的“语言”

这意味着即使是三维黑洞的蒸发也可以在没有重力的二维世界中描述，在这个世界中量子力学是最重要的，信息永远不会减少。如果信息在二维世界中是守恒的，那么在三维世界中也是守恒的。因此，信息必须以某种方式逃离黑洞。

相对论还是量子力学？

几年后，马罗尔证明了量子引力理论的每一个模型都遵循同样的规则，不管它是否基于弦理论。“玛达·仙娜和马罗尔的工作改变了我的想法，”马里兰大学帕克分校的量子物理学家泰德·雅各布森说。很长一段时间，他认为信息会减少。2004年，霍金公开承认自己错了，并信守承诺，给威望送去了一本垒球百科全书。

玛达·仙娜的发现令人信服。尽管没有人能够解释霍金辐射是如何带走信息的，但大多数物理学家已经开始相信矛盾已经解决了。玻尔·金斯基说，“我想每个人都在猜测会有一个直截了当的解释”。

然而，情况并非如此。当玻尔·金斯基和他的团队在2012年初开始深入解决以下问题时，他们很快陷入了另一个矛盾之中——这最终导致他们陷入了致命的防火墙。

霍金已经证明，任何从黑洞逃逸的粒子的量子态都是随机的，因此粒子不会带来任何有用的信息。然而，在20世纪90年代中期，萨斯喀彻温省和其他人意识到，如果黑洞辐射的粒子是纠缠在一起的，黑洞的信息可以被编码在这些粒子的量子态中。纠缠意味着无论一对粒子相距多远，对一个粒子的测量都会立即影响到另一个粒子。

但是让波尔·金斯基的团队困惑的是，这怎么可能？任何辐射的粒子都必须与进入黑洞的另一半相关联。如果苏斯金德和其他人是对的，那么这个粒子也必须与先前辐射的粒子相关联(因为黑洞信息被编码在所有辐射的粒子中)。这意味着被辐射的粒子与落入黑洞的粒子纠缠在一起，并且粒子辐射得更早。然而，严格证明的“一夫一妻制”告诉我们，一个量子系统不能同时与两个独立的系统完全纠缠在一起。

为了避免这种矛盾，玻尔·金斯基和他的合作者意识到必须切断两种纠缠关系中的一种。他们不愿放弃霍金辐射中编码信息的纠缠，决定切断逃逸粒子和下落粒子之间的关联。但这是要付出代价的。“这是一个激烈的过程，就像打破分子键释放能量一样，”波尔·金斯基说。他补充说，当一对粒子分离时，也会释放大量能量。"黑洞的地平线将变成一个火圈，任何落下的物质都将被烤焦。"这样，上述结果违反了等效原则及其推论，即自由落体的观察者与漂浮在虚无空间的观察者有着同样的感觉——当当前的人被烧成灰烬时，他怎么能与后者有同样的感觉呢？因此，他们把论文放在arXiv网站上，给物理学家一个选择:要么接受防火墙的存在和广义相对论不成立，要么承认黑洞会丢失信息和量子力学是错误的。“在我们看来，至少防火墙理论是疯狂的，”马罗尔说。

这篇论文可以说是物理学中的“一块石头激起千层浪”。“它应该声称放弃广义相对论的等效原理是最好的选择，这是完全不可接受的，”雅各布松说。布索持有类似的观点，他补充道，“防火墙是不存在的，就像你站在空旷的田野上，砖墙不会突然凭空出现，把你的脸撞扁”。如果爱因斯坦的理论不适用于黑洞视界，宇宙学家必须检验它的普遍性。

波尔·金斯基承认他可能犯了一些低级错误。所以他求助于萨斯喀彻温省，全息理论的创始人之一，帮助他找出自己的错误。“我的第一反应是，他们的结果可能是错误的，”苏珊说。然而，经过仔细考虑，他在网上的文章写道:“我的第二个反应是他们是正确的，我的第三个反应是他们是否错了，我的第四个反应是他们仍然是正确的。这给了我“溜溜球”的绰号，但我的反应和大多数物理学家完全一样。

从那以后，关于arXiv已经发表了40多篇文章，但是到目前为止，还没有人发现玻尔·金斯基集团的任何逻辑缺陷。“这真是一份非常漂亮的工作。它指出我们对黑洞的理解有问题，”唐佩奇说。佩奇现在在加拿大阿尔伯塔大学，他在20世纪70年代曾在那里与霍金共事。然而，已经提出了许多创造性的解决方案。

直面爱因斯坦

在苏斯金德看来，由普林斯顿大学的量子物理学家丹尼尔·哈洛和加拿大麦吉尔大学的计算机科学家帕特里克·海登提出的解决方案是最有可能的。他们考虑了宇航员可以使用真实世界的方法来探测上述矛盾的可能性。为此，宇航员首先必须“破译”相当大比例的霍金辐射，然后跳进黑洞探测下落的粒子。对粒子对的计算表明，辐射中的信息很难破解，以至于宇航员还没准备好跳进黑洞，黑洞就蒸发了。“从理论上讲，没有基本的理论证明这种矛盾是不可检测的，但事实上，这种检测是不可能的。”

然而，吉丁斯认为，防火墙之间的矛盾需要一个根本的解决办法。他的计算发现，如果霍金辐射粒子和被黑洞吞噬的粒子之间的纠缠在前者从黑洞的视界逃逸一段距离后被打破，释放的能量将会减少，从而不会形成火墙。这种解释保护了等价原理，但需要对量子理论进行一些修正。因为吉丁斯的模型有被验证的可能性，科学家们在欧洲粒子物理研究所会议上对这个模型非常感兴趣:这个模型预测当两个黑洞合并时，会产生巨大的时空波纹，这可以被地球上的引力波探测器探测到。

还有另一种方法可以挽救等价原则，但争议如此之大，以至于很少有人敢支持它:也许霍金一直都是对的，信息确实在黑洞中丢失了。具有讽刺意味的是，在2012年底斯坦福大学举行的防火墙会议上，支持这一想法的科学家是与霍金打赌的威望。“奇怪的是，这种方法不像防火墙理论那样疯狂，但人们从来没有认真考虑过它，”威望说，尽管他强调直觉上他更喜欢信息。

从物理学家不愿重新审视霍金过去的观点可以看出，他们非常信任马尔达·仙娜的“数学词典”。这部连接重力和量子理论的“数学词典”似乎表明信息不会丢失。玻尔·金斯基将马尔达·西纳的理论(总共被引用了9000次)与19世纪统一光、电和磁的电磁理论进行了比较。前者是迄今为止对引力最深入的理解，它可以将引力与量子场论联系起来。Busso说，“如果防火墙的想法是在20世纪90年代早期提出的，我认为它将成为信息丢失的有力证据，但是现在没有人愿意考虑马尔达·李妍犯错的可能性”。

在与爱因斯坦的这场直接对抗中，大多数物理学家都愿意支持马尔达·仙娜，这让马尔达·仙娜感到无比荣幸。他说，“为了充分理解火墙之间的矛盾，我们需要充实‘数学词典’的内容，但没有必要抛弃它。”

到目前为止，科学家们达成的唯一共识是这个问题不会很快得到解决。在2012年底的防火墙会议上，玻尔·金斯基列举了所有试图推翻防火墙理论的论文，并逐一指出了这些论文中的漏洞。最后，他说，“很抱歉这些文件都站不住脚，我们仍然需要继续努力。”

爱因斯坦的科学理论太强了，但不要灰心，因为科学是一个发现和进步的过程。

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