該悖論基於一個不幸的猜想：如果太空人掉進黑洞會怎樣？扯成碎片，還是被燒焦？問題看似無聊，但卻毫不客氣地把量子力學擺在了廣義相對論的敵對面——因為按照曾經公認的理論，太空人最終會在黑洞的“奇點”被粉碎，落入黑洞無限緻密核心；而按照量子效應，“事件視界”則會變成一個高能區域，就像面“火牆”，任何東西一觸即焦。
基本介紹
- 中文名：黑洞火牆悖論
- 悖論原理：廣義相對論、量子力學
- 發現者：約瑟夫·波爾欽斯基
霍金在接受《自然》雜誌社記者採訪時說：“在經典廣義相對論的引力理論中，任何事物都不能從黑洞中逃逸，然而量子理論卻能使能量和信息從黑洞中逃逸。”一些物理學家承認，對該現象的合理解釋，需要一個能夠完美合併引力與其他基本自然力的理論。但是，近一個世紀以來，物理學家始終沒有發現這樣的理論。霍金認為，“正確的處理方法仍然是一個謎” 。
而且，廣義相對論與量子理論的衝突，也引出了人們關於“黑洞火牆悖論”的思考。2012年，科維理研究所的理論物理學家和他的同事，發現了這個悖論。自那以後，“黑洞火牆悖論”已經困擾了全球物理學家整整兩年，而霍金提出的“灰洞”新觀點，正是為了解決這個所謂的悖論。這究竟是個怎樣的神奇悖論？
無解的“黑洞火牆悖論”？
“在物理學中，悖論是個好東西，”美國加州理工學院的理論物理學家約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）說，“它們會向你指明通往重要發現的道路。”而黑洞恰恰是一個滋生悖論的肥沃溫床。“黑洞火牆悖論”其實並不複雜，科研人員設計了一個思想實驗——如果一個倒霉的太空人不幸落入黑洞會發生什麼。關於這個問題，科學家得出了兩個相互矛盾的結果。
在經典廣義相對論的引力理論框架中，物理學家認為，太空人會愉快地通過事件視界，完全不知道自己即將面臨死亡的威脅，最終在黑洞無限緻密的核心“奇點”，被巨大的引力撕裂。然而，當研究人員詳細分析了具體情況後，他們意識到量子力學規律將會徹底“改變”這個太空人的命運：如果基於量子理論考慮，那么事件視界會轉化為一個高能量的區域——“火牆”，它會把太空人燒焦。這個結果令人震驚，因為儘管“火牆”服從了量子規律，但是它卻違反了愛因斯坦的廣義相對論——無論他們是落入黑洞或是漂浮在空曠的星系際空間中，自由落體的人應該感受到在宇宙任意處都同等的物理規律。
其實，這個悖論的核心問題在於事件視界：它究竟會對太空人毫無阻攔，還是會變成一堵“火牆”。關於這個問題，霍金在《黑洞的信息保存和天氣預報》一文中，引入了“表觀視界”的概念，這是一個當光線試圖從黑洞的核心逃逸時，會被暫時困住的邊界。“表觀視界”的出現，為黑洞火牆悖論提供了誘人且簡單的第三種可能性：量子力學和廣義相對論的理論框架保持不變，但黑洞根本就沒有所謂的事件視界和“火牆”，它只有一個表觀視界組成的時空，它具有很強的波動性，沒有明顯的邊界。而“表觀視界”概念的提出，導致了“灰洞”概念的產生。
從光線不能逃逸至無窮遠的意義上看，不存在事件視界則意味著不存在黑洞。在廣義相對論中，對於靜態的黑洞而言，事件視界和表觀視界是相同的。然而，這兩個視界在原則上又是可以加以區分的。如果有越來越多的物質被黑洞吞噬，黑洞的事件視界就會不斷膨脹，變得比表觀視界更大。不過在20世紀70年代，霍金還一直認為，黑洞會慢慢收縮，噴湧出“霍金輻射”。在這種情況下，事件視界會比表觀視界更小才對。今天，霍金的新觀點認為，表觀視界才是黑洞的真正邊界，它幾乎就像極端物理的“灰色地帶”。不過，如果要符合廣義相對論或量子動力學，那么信息在穿過表觀視界時，會被完全打亂。也就是說，雖然信息可以從黑洞逃逸，但是它們會變得面目全非。當然，這個結果也恰好迴避了黑洞火牆悖論。
並不完美的解決方案
即便霍金的新作貌似完美地解答了黑洞火牆悖論，但仍在物理學界引起了科學家的廣泛討論。
在20世紀70年代與霍金有過合作的物理學家，研究黑洞的專家唐·佩吉（Don Page）認為：霍金對於黑洞可能不存在事件視界的提議也許是對的，但這不足以解釋火牆悖論。即使表觀視界只是短暫存在，但也可能會導致跟事件視界存在的同樣問題。而且，不同於事件視界，表觀視界最終會消失。佩吉還指出，霍金打開了極端場景的大門——“原則上，任何事物都有可能逃出黑洞”。
雖然霍金在他的文章中並沒有詳細說明表觀視界會如何消失，但佩吉推測：當事件視界縮小到一定規模時，此時量子力學和引力的影響會相互結合，我們有理由相信，表觀視界確會消失。因此，無論什麼物質被黑洞困住，最終都會被釋放。而且，如果霍金的觀點是正確的，那么黑洞核心甚至可能不存在奇點。相反，物質只是暫時被困在表觀視界中，由於受到黑洞的牽引力，它們會逐漸向內移動，但絕不會塌縮到中心。物質的信息不會被破壞，但會變得非常混亂，因為它是通過“霍金輻射”釋放的。這些信息幾乎不可能維持被黑洞吞噬前的樣子，“這將比試圖修復一本燒成灰燼的書更難”。霍金也深知其中的難度，他將這比作試圖提前預測天氣：理論上是可行的，但想要在實踐中提高精確性卻非常困難。
波爾欽斯基對霍金的觀點也持同樣的懷疑態度，他認為，自然界中不太可能存在沒有事件視界的黑洞。
“在愛因斯坦的引力理論中，黑洞的視界與空間的其他地方並沒有太大的不同，” 他認為，“我們從來沒有在臨近的宇宙空間中看到過時空波動，這在宇宙大尺度結構中也非常罕見。”
霍金以前的學生、加州大學伯克利分校的理論物理學家拉斐爾·布索（Raphael Bousso）也對霍金的解決方案持謹慎態度。“黑洞中處處存在可以從中逃逸的點，這在某些方面比‘火牆’的存在更有問題，”他說，“但事實上，在霍金髮表了第一篇關於黑洞和信息的論文40年後，我們仍在討論這樣的問題，這證明了它具有非凡的意義。”
