黑洞研究所简介
恰如其分，黑洞计划（BHI）是在卡尔·施瓦茨柴尔德（Karl Schwarzschild）解决爱因斯坦的广义相对论方程100年后成立的。爱因斯坦的广义相对论方程在黑洞存在的第一个天文学证据出现之前几十年就描述了黑洞。作为奇异的时空结构，黑洞继续吸引着天文学家、物理学家、数学家、哲学家和公众，在对其神秘本质进行了一个世纪的研究之后。
BHI的使命是跨学科的，为此，我们赞助了许多活动，为不同学科的研究人员之间的互动创造环境。哲学家与数学家、物理学家、天文学家交谈，理论家与观察者交谈，一系列预定的活动为人们定期聚会创造了场所。
作为一个例子，对于一个我们关心的问题，考虑黑洞中心的奇点，这标志着爱因斯坦引力理论的崩溃。在量子力学的背景下，奇点会是什么样子？最有可能的是，它看起来是一个巨大质量（对于天体物理黑洞来说，超过几个太阳质量）在极小体积内的极端集中。排出落入天体物理黑洞的所有物质的储层的大小是未知的，它是BHI学者研究的尚未解决的问题之一。
我们很高兴为您呈现一组论文，这些论文是由我们的高级教师从BHI首届论文比赛的众多申请中精心挑选出来的。获奖论文将在这里发表鹦鹉螺在接下来的五周里，从第五名开始，一直到第一名。我们希望你们会像我们一样喜欢它们。
个罗卜(Avi)
Frank B.Baird，哈佛大学科学教授
哈佛大学天文学系主任
黑洞倡议(BHI)创始董事
T向上和向下都是一样的，”圣人说。
悖论有一种折磨思想的方式。它阐明了我们从经验中理解的概念的不一致和不足之处。它对我们的理解框架和理解本身都产生了怀疑。无论建立什么样的思想之塔，都是为了试图超越它的矛盾而摇摇欲坠，并伴随着轻微的扰动而倒塌。然而，只要我们运用得足够熟练，它也可以成为一种顿悟的工具。哲学家赫拉克利特(Heraclitus)明白这一点，尽管他对悖论的喜爱为他赢得了“默默无闻”的称号。今天，物理学家们也必须接受悖论，以便对黑洞的本质有更深入的了解。
对赫拉克利特来说，思考的困难是我们处理世界的方式所固有的。我们对自然的外部经验并不是直接处理的，而是通过一系列概念的网络进行过滤，随着时间的推移，这些概念彼此联系在一起。如果我们不小心，我们用来理解自然的概念和类别就会与自然本身相混淆。我们发展模型和理论，就像透镜一样告诉我们世界是什么样的。然而，有时候，我们不同的模型，不同的概念之间会有矛盾，这是世界与我们创建的网络不相适应的结果。悖论也是如此。悖论之所以让我们沮丧，是因为它的外观——我们如何理解悖论——取决于我们使用的是哪种镜片。在思考中，我们引入了非物质的区别，悖论贯穿其中。
赫拉克利特说:“在圆圈中，开始和结束是常见的。”
这种情况在物理学中也同样存在，而且在物理学中最明显的莫过于对黑洞的研究。在现代物理学中，黑洞占据着一个特殊的位置，因为在它们的核心，即黑洞的奇点，我们预计两个最成功的物理模型(那些云状的、暗透镜)会遇到这个位置。广义相对论描述了这样一个框架:“时空告诉物质如何运动;物质告诉时空如何弯曲，”物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)对此做出了著名而简洁的解释。该理论的方程本质上是几何的，借鉴了研究抽象数学对象的各种形状的数学领域。它从形状和曲率的角度解释了引力现象，并把时空看作是一个物体，它自身会随着物体内部的运动而弯曲和膨胀。空间和时间不再是动作发生的舞台，而是玩家在舞台上的自我表现。
量子理论，这些框架中的第二个，是完全不同的野兽。它描述了粒子和光在最小尺度上的行为，经常使用令人困惑的术语。但是，这种困惑大多来自于我们自己错综复杂的思想网络，是我们为了理解日常经验的经典世界而发展和训练出来的。在任何量子理论中，物体(如粒子)都有一个给定的量子态，这个量子态通过一系列连续的状态以规定的方式在时间中演化。但是这些状态的性质很奇怪。纠缠可能是所有量子属性中最基本的一种，它使这里的量子物体和那里的量子物体之间产生了奇怪的关联，不管“这里”和“那里”相距多远(这种性质如此怪异，以至于爱因斯坦认为它是“幽灵般的远距离作用”)。如果仔细观察，时空就会充满虚粒子，这些虚粒子时而出现，时而消失，把真空变成了不断变化的量子泡沫。然而，尽管世界上存在着量子的奇异性，该理论充分地预测了粒子的行为，达到了令人震惊的程度。
赫拉克利特说:“事物只有在变化中才能得到休息。”
黑洞占据了每个理论的边界，令人不安地介于两者之间。在这里，我们的理论分崩离析。第一个不对劲的迹象来自广义相对论方程。描述时空曲率的方程通过零在这个过程中吐出无意义的无穷大来实现数学除法的大罪。这就好像时空结构实际上被奇点存在时所承受的巨大压力刺穿了一样，我们的方程无法描述这一点。在其他具有类似故障的经典理论中，量子理论起到了解救作用。20世纪上半叶物理学的大部分工作都是在“量化”经典理论方面完成的：通过用量子术语描述物体来消除这些无意义的描述。但当广义相对论也尝试了同样的过程，试图写下一个量子引力理论时，概念问题比数学问题出现得早。时空是如何被描述为量子态随时间演化的呢是时间吗?
一个在一个镜头下看起来像量子理论的理论，可能在另一个镜头下看起来像万有引力理论。
在这种理论之间的阴暗地带，悖论是前进的道路。赫拉克利特的天才在于他能够利用悖论作为一种工具来描述语言无法描述的真理。在物理学中，黑洞信息悖论是走出黑洞模棱两可沼泽的向导。这个悖论抓住了量子理论和广义相对论之间的根本冲突。它指出，如果黑洞的行为符合广义相对论的要求，那么坠入黑洞的物体就不能符合量子理论的要求。相反，如果落入黑洞的量子物体的行为符合预期，那么黑洞的几何描述肯定是错误的。无论我们推崇哪一种理论，另一种都必须抛弃。
这个悖论源于两个事实。一个是量子系统以一种“单一”的方式进化，也就是说，给定一个系统在某个时间的量子态，其他时间的量子态可以被唯一确定。据说有关该州的信息被保存了下来。第二个是黑洞会蒸发，根据广义相对论，它们会带走坠入黑洞的信息。对于一个时空的观察者来说，在黑洞蒸发之后，关于初始量子系统的可用信息是不完整的。他们不再能确定初始状态，似乎量子信息已经被破坏了。
在应对这一悖论的过程中，研究人员已经开始找到自己的立足点。为了寻找解决方案，物理学家们注意到量子理论和引力所固有的几何学之间的联系，通过提供量子力学和几何学之间的二元性来缓解这一悖论。通过一个透镜看起来像量子理论的理论可能通过另一个透镜看起来像引力理论。这是全息原理（它并不像人们所说的那样，提出宇宙是事实上科幻小说中出现的各种全息图)。两种观点之间的词典已经开始发展，研究人员已经能够用一种理论的某些方面来理解另一种理论。这条探索线的终点是一个被称为ER=EPR(代表爱因斯坦-罗克森桥=爱因斯坦-波多斯基-罗克森对，纠缠的物体对)的猜想。这个想法是由Juan Maldacena和Leonard Susskind提出的，他们推测两个纠缠的量子系统的行为可以用两个由微虫洞连接的分离系统来描述。在一个镜头里看起来像量子奇异的东西在另一个镜头里却是奇怪的几何形状。
真正的赫拉克利特式的对悖论的拥抱将会更进一步，并认识到我们的理论区别于不同类型的理论是非物质的。我们将一些物体描述为“量子”，而将一些物体描述为“几何”，这是处理我们经验的令人烦恼的概念网的结果。在赫拉克利特看来，一些属性被标记为量子，一些被标记为几何，这些属性的排序是人为的。我们对这些区别的依赖注定了我们要“透过玻璃，黑暗地”看待自然。但是，在矛盾的武装下，不断地推动和探索我们概念的极限，我们有可能获得片刻的清晰。赫拉克利特会说，即使在奇点，引力和量子力学之间也没有冲突，因为引力和量子力学是一样的。纠缠是几何。
往上走就是往下走。
可以肯定的是，这种清晰的时刻还很遥远。ER=EPR猜想仍然是猜想，并且很可能在不久的将来继续这样做。而黑洞研究的其他路径则解决了ER=EPR所提出的避免统一的悖论。显而易见的是，物理学家必须欣然接受悖论在理解自然过程中所扮演的角色，这常常让他们感到不安。这种对矛盾的安慰很少是容易的，而且最终的清晰也无法保证。也许这样做是对的。
赫拉克利特说：“隐藏的和谐比明显的要好。”。
Gabriel Lynch是芝加哥大学的一名刚毕业的学生，他在那里学习物理并对黑洞和量子信息进行了研究。他住在芝加哥附近。
这篇文章在黑洞研究所的作文比赛中获得了第三名。
更多的阅读
Maldacena，J.&Suskind，L.。纠缠黑洞的凉爽地平线。Fortschritte der物理学61(2013)。检索从DOI: 10.1002 / prop.201300020。
瓦尔德,智慧化广义相对论芝加哥大学出版社（2009）。
匠,体育赫拉克利特牛津大学出版社(1959)。
