悖论照亮了黑洞

这篇文章是由中国科学院主办的2019年作文大赛的五篇获奖文章之一黑洞倡议在哈佛大学。BHI负责人阿维•勒布表示:“黑洞倡议为更有创造性、更全面地思考黑洞问题提供了一个独特的环境。”4月10日，天文学家首次观测到一个黑洞鹦鹉螺收录了五篇获奖文章

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。

“这是在改变那种悔改的情况下，”Heraclitus说。

黑洞占据着每一种理论的边界和两者之间的位置。在这里，我们的理论崩溃了。有问题的第一个迹象来自广义相对论的方程。描述时空曲率的方程犯了数学的大罪——在这个过程中被零除出了荒谬的无穷大。就好像时空的结构实际上被奇点的存在所造成的巨大压力刺穿了，而我们的方程却无法描述奇点。在其他出现类似问题的经典理论中，量子理论起到了拯救作用。20世纪上半叶，物理学的大部分工作都是在“量子化”经典理论中完成的:通过用量子术语描述物体来消除这些无意义的描述。但当广义相对论尝试同样的过程，试图写下量子引力理论时，概念问题出现得比数学问题早得多。时空怎么能被描述成一个随时间演化的量子态呢是时间吗?

通过一个透镜看起来像量子理论的理论可以通过另一个透镜看起来像重心理论。

在理论之间的这种幽灵景观中，悖论是前进的方向。Heraclitus的天才是他利用Paradox作为仪器来描述语言不充分描述的仪器的能力。在物理学中，黑洞信息悖论是从黑洞模糊的沼泽中引导。该悖论捕捉量子理论与一般相对论之间的根本冲突。它指出，如果黑洞表现出普通相对性要求，那么落入黑洞的物体就不能表现如何如何昆腾理论需求。相反，如果落入黑洞的量子物体按预期行为，那么黑洞的几何描述必须有故障。无论我们的特权，另一个理论都必须抛弃。

悖论来自两个事实。一个是量子系统以“单一的”方式发展，即表示给定时一次的量子状态，可以唯一地确定在其他时间的量子状态。据说有关该州的信息被保留。第二种是黑洞蒸发，并根据普通相对论，他们与他们带来的信息落入的信息。在黑洞蒸发黑洞后的时空中的观察者，初始量子系统的信息不完整。它们无法再确定初始状态，似乎虽然量子信息已被销毁。

在解决这一悖论的过程中，研究人员开始找到他们的立足点。在寻找解决方案的过程中，物理学家注意到量子理论和重力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。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。这就是全息原理(它不像已经被暗示的那样，提出宇宙是这样的实际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。

“隐藏的和谐比显而易见的要好，”赫拉克利特说。

加布里埃尔·林奇(Gabriel Lynch)是芝加哥大学(University of Chicago)的应届毕业生，他在那里学习物理学，并从事黑洞和量子信息的研究。他住在芝加哥附近。

这篇文章在黑洞研究所的论文比赛中排名第三。

额外阅读

纠缠黑洞的冷视界。fortschritte der physik61（2013）．检索从DOI: 10.1002 / prop.201300020。

瓦尔德,智慧化一般相对论芝加哥大学出版社(2009)。

匠,体育Heraclitus.牛津大学出版社(1959)。

本文最初发表于2019年1月的《背景》杂志。