本站原创引发这场激烈争论的是一篇预先发表在网上的论文.2012年7月,美国加州大学圣巴巴拉分校的弦论学家唐纳德·马罗夫（Donald Marolf）、约瑟夫·波尔金斯基（Joseph Polchinski）和研究生艾赫迈德·埃尔迈力（Ahmed Almheiri）、詹姆斯·萨利（James Sully）（这四位作者如今被称为AMPS）联合发表了一篇论文：《黑洞：互补性或是火墙?》（Black Holes：Complementarity or Firewalls?）.这篇论文讨论了一个利用理论化的黑洞进行的思想实验,结果这个在检测想中进行的实验却得出了一个让物理学家们至今争论不休的结果,这也许会彻底改变物理学家们对于黑洞的理解.
有人坚持认为这篇论文的结论是正确的,有人对此嗤之以鼻,认为论文的作者们缺乏对物理学的深入理解,也有人对此激动万分,认为这个悖论可能会激发理论物理学家们的热情,对物理学的基础理论进行发展和修正.但这篇论文实际所揭示的,可能仍然是持续了多年的量子力学与广义相对论之间难以调和的矛盾.在微小尺度上,物理学家们已经习惯了使用量子力学进行计算,而当研究的尺度扩展到宏观领域乃至天文学级别时,物理学家们又会自觉地使用广义相对论.黑洞却是一种特殊的天体,量子力学与广义相对论都可以应用到这种人类尚未真正探测到、目前仅存于理论中的天体研究中去,AMPS论文的悖论正是来源于此.
AMPS论文的思想实验发生在黑洞的“视界”边缘,“视界”是黑洞内部与外部宇宙空间的界限,当任何物质进入了黑洞的视界,它便注定不能再逃出.根据广义相对论的描述,黑洞对周围时空的扭曲使得逃离黑洞需要超过光速,而狭义相对论限定,任何有质量的物质都无法达到光速.因此当物质进入黑洞的视界,便注定了它被黑洞吞噬的命运.AMPS论文提到的情形是,一个处于纠缠态的粒子进入黑洞视界的一瞬间,会发生什么情况?
根据物理学家对于黑洞的经典解释,一个粒子在进入黑洞视界时不会有任何特殊情况发生,这是根据广义相对论的“等效原理”而得出的结果.一个处于纠缠态的粒子进入黑洞的视界后,与另外一个黑洞视界之外的粒子会保持彼此间纠缠状态,也就是说,这两个被黑洞视界分隔的粒子依然相互联系.根据等效原理描述,即使是一个人进入了黑洞的视界,只要黑洞足够大,那么这个人仍然可能在黑洞中生存一段时间（虽然他永远都不可能离开黑洞）,直到他逐渐接近黑洞的核心——奇点,受到异常强大的引力,才会因为身体不同部位受到的引力差异而被拉伸成一根细长的面条.
而根据量子力学的描述,黑洞还有另外一个重要特征,就是“霍金蒸发”.在黑洞的视界边缘产生的处于纠缠态的虚粒子对,在它们还没有来得及湮灭时,其中一个反物质粒子就被吸入黑洞,而另外一个粒子则逃离黑洞,在黑洞的视界以外看来,这个过程就如同黑洞在对外进行辐射.理论物理学家史蒂芬·霍金利用量子力学理论进行计算,得出的这个结果,早已成为科学界公认的黑洞的基本性质之一.黑洞这种对外的辐射,如同蒸发过程,一个黑洞会通过霍金蒸发过程逐渐变小,最终消失,越大的黑洞进行霍金蒸发的过程越缓慢,反之则越快.
根据霍金蒸发理论,物理家们得出了黑洞的另外一个重要性质,就是被吸入黑洞的信息不会就此湮灭,这些信息迟早会通过霍金蒸发被重新释放出来.就连霍金本人一开始也不相信这个推论,他为此还在1997年和美国理论物理学家约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）打赌,一切信息进入黑洞之后都会被摧毁.但是之后斯坦福大学的理论物理学家莱纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）和其他几位物理学家提出了黑洞互补性原理,这个原理解决了信息进入黑洞后是否能继续存在的难题,霍金在2004年承认自己打赌失败,认同被吸入黑洞的信息会通过霍金蒸发重新回到宇宙中.在这个过程中,量子纠缠状态非常重要.黑洞通过向外辐射,使得自身与被辐射出来的系统形成了纠缠态,这是信息可以重新回到宇宙中的关键过程.
此时,当物理家们重新审视量子力学中“粒子纠缠”的概念,就会遇到一个不可调和的矛盾.粒子纠缠是量子力学描述的一个奇特现象,它的本质至今也没有被人完全理解.两个微观粒子可能会因为某种相互作用而成为“纠缠”状态,处于纠缠状态的两个粒子具有特殊的联系,即使彼此分开遥远的距离,它们的状态依然会保持同步.
与宏观世界不同的是,量子纠缠有一个重要性质,就是一个粒子只能和另外一个粒子进行纠缠,就是说,量子纠缠只能“一对一”进行.当一个粒子准备与另一个粒子进行纠缠,它必须首先解除和其他粒子的纠缠状态——粒子B可以和粒子A处于纠缠态,也可以和粒子C处于纠缠态,但是B不可能同时和A与C都处于纠缠态.
AMPS论文中思想实验的黑洞悖论由此产生：在黑洞视界的边缘,如果有一对处于纠缠状态的粒子A和B,让粒子A进入黑洞视界,粒子B留在视界之外.根据广义相对论的等效原理对黑洞视界的描述,A在进入视界时不会出现任何特殊情况,它与B的纠缠态仍然保持.但是,对于一个蒸发过半的黑洞来说,黑洞本身与其对外辐射的系统C处于最大纠缠态,根据霍金蒸发理论的描述,要使被黑洞吞噬的信息通过霍金蒸发的方式释放出来,B又需要与被黑洞辐射出的系统C处于纠缠态——纠缠态只能“一对一”进行,B不可能同时与A和C处于纠缠态,那么,问题出在哪里?
AMPS论文为了解决这个悖论,提出了一个令人吃惊的检测设：在黑洞的视界处,存在着一层由霍金辐射的高能粒子构成的“火墙”!因此,广义相对论的等效原理在黑洞的视界不再适用.与粒子B处于纠缠态的粒子A在进入黑洞的视界时,与此前经典理论预测任何特殊情况都不会发生不同,粒子A会遇到因黑洞的霍金蒸发产生的大量高能粒子组成的“火墙”,这些高能粒子会瞬间摧毁粒子A与粒子B之间的纠缠态.只有如此,B才能在A进入黑洞视界的瞬间与A解除纠缠态,从而可以和C形成纠缠态,霍金辐射得以维持.
黑洞“火墙”的设想刚刚被提出就在理论物理学界引起了极大反响,支持、反对、怀疑、激动,各种情绪之外,研究量子引力的理论物理学家们对此至今仍然没有定论,争论的焦点仍然在于如何解决这个理论悖论.AMPS论文如果有错,那么错在哪里?这个错误是否可以把理论物理学引入到一个新境地?AMPS论文提出的悖论若是没有错,那么物理学家们就要面临一个艰难的抉择,一些长久以来被物理学家们信任的物理学基础定律可能会被修改或抛弃.广义相对论的等效原理在黑洞中是否仍然适用?霍金是否过早认输赌局,信息是否真的可以在黑洞中守恒?物理学定律在黑洞的视界内外,是否仍然如一?一个粒子是否可能同时与多个粒子进行纠缠?这些问题,至今还没有答案.
尽管欧洲核子中心的大型重子对撞机在2012年发现了人们期待已久的希格斯玻,但是物理学家们发现,希格斯玻至今为止表现得中规中矩,一切行为都在标准粒子模型理论的预测之中.这固然令物理学家们感到欣慰和骄傲,但是另一方面,也难以令物理学家们满足.只有难题和矛盾,才会催生新物理学.正因为如此,这个黑洞火墙的悖论让一些物理学家感到激动,在缺少实验数据的情况下,理论悖论是催生新物理学的最好机会.
一群理论物理学家对于一个思想实验进行长久、激烈的争论,而争论的主角却远在天边,无法触及,这种“坐而论道”难免会让局外者感到怀疑或是不解.要最终解决这种理论中或是想象中的悖论,物理学家们需要新的理论,而最终确立一个物理学的新理论,需要的仍然是实验观测和证明.
（本文参考了《西蒙斯科学新闻》的文章《Black Hole Firewalls Confound Theoretical Physicists》）