什么是黑洞防火墙悖论?

Leonard Kelley拥有物理学学士学位，辅修数学。他热爱学术世界，并努力不断探索。

防火墙的悖论

虽然黑洞很难想象，但它并不是一个简单的东西。事实上，它们还在继续提供新的谜团，尤其是在我们最意想不到的时候。其中一个怪癖在2012年被发现，被称为防火墙悖论(FP)。不过，在讨论它之前，我们需要复习量子力学和广义相对论的一些概念，这是迄今为止尚未统一的两大理论。也许有了FP的解决方案，我们最终会有一个答案。

视界

所有黑洞都有一个视界(EH)，这是一个不归点(从引力角度来说)。一旦你通过EH，你就无法逃脱黑洞的拉力，当你越来越接近黑洞时，你就会被拉伸，这一过程被称为“意大利面化”。尽管这听起来很不寻常，但科学家们称这一切为黑洞的“无戏剧”解决方案，因为一旦你经过EH，就没有什么特别的事情发生，也就是说，在经过EH (Ouellette)时，不同的物理学突然开始发挥作用。注意，这个解决方案并不意味着一旦你通过EH，你就开始经历“意大利面化”，因为那是在你接近实际的奇点时发生的。事实上，如果下一个概念是正确的，当你通过EH时，你将不会注意到任何东西。

等效原则

爱因斯坦相对论的一个关键特征是等效原理(EP)，即自由落体的物体与惯性系处于相同的参考系中。换句话说;这意味着经受重力作用的物体可以被认为是抵抗其运动变化的物体，或者具有惯性的物体。所以当你经过EH时，你不会注意到任何变化，因为我们已经在参考系中做了转换，从EH外(惯性)到内部(引力)。一旦我通过了EH，我就不会感觉到我的参考系有任何不同。事实上，只有在我试图逃离黑洞的时候，我才会注意到我无能为力(Ouellette)。

量子力学

量子力学中的几个概念也将是我们讨论FP的关键，并将在这里以笔划的形式提及。这些文章背后的思想值得一读，但我将试图把主要观点讲清楚。第一个是纠缠的概念，两个相互作用的粒子可以仅根据对其中一个的操作传递关于另一个的信息。例如，如果两个电子纠缠在一起，通过将自旋(电子的基本性质)改变为向上，另一个电子也会做出相应的反应，即使距离很远，也会变成向下自旋。主要的一点是，它们在纠缠后没有物理接触，但仍然连接在一起，可以相互影响。

同样重要的是要知道，在量子力学中，只有“一夫一妻制量子纠缠”可以发生。这意味着只有两个粒子可以与最强的化学键纠缠，并且与其他粒子的任何后续键结合将导致较小的纠缠。根据统一性，这些信息以及任何信息(或物体的状态)都不会丢失。无论你对一个粒子做什么，关于它的信息都会被保存下来，无论是通过它与其他粒子的相互作用，还是通过延伸的纠缠(Oulellette)。

霍金辐射

这是另一个伟大的想法，对FP有很大的贡献。在20世纪70年代，斯蒂芬·霍金发现了黑洞的一个有趣的特性:它们会蒸发。随着时间的推移，黑洞的质量以辐射的形式释放出来，最终将消失。这种粒子的发射被称为霍金辐射(HR)，源于虚粒子的概念。它们产生于近乎真空的空间中，因为时空中的量子涨落导致粒子从真空能量中萌发出来，但它们通常最终会碰撞并产生能量。我们通常看不到它们，但在EH附近，人们遇到时空的不确定性，虚粒子就出现了。成对形成的虚粒子中的一个可以穿过EH，留下它的同伴。为了确保能量守恒，黑洞必须损失一部分质量，以换取其他虚拟粒子离开附近，因此出现了HR (Ouellette, Powell 68, Polchinski 38, Hossenfelder“Head”，Fulvio 107-10, Cole, Giddings 52)。

防火墙悖论

现在，让我们把这些都派上用场。当霍金第一次提出他的人力资源理论时，他认为信息必须随着黑洞的蒸发而丢失。这些虚粒子中的一个会在EH之后丢失，我们将无法了解它，这违反了幺正性。这就是所谓的信息悖论。但在20世纪90年代，人们发现进入黑洞的粒子实际上与EH纠缠在一起，因此信息被保留了下来(因为通过知道EH的状态，我可以确定被困粒子的状态)(Ouellette, Polchinski 41, Hossenfelder“Head”)。

但从这个解决方案中似乎产生了一个更深层次的问题，因为霍金辐射也意味着粒子的运动，因此也意味着热量的传递，根据无毛定理，除了描述黑洞的主要三种性质(质量、旋转和电荷)之外，还赋予了黑洞另一种性质。如果黑洞的内部存在这样的比特，根据量子力学，它将导致事件视界周围的黑洞熵，这是广义相对论所不喜欢的。我们称之为熵问题(Polchinski 38,40)。

有限的解决方案

1995年，Joseph Polchinski和他的团队研究了一些弦理论的可能性，以解决已经出现的信息悖论，并取得了一些结果。当研究d膜时，它存在于比我们更高的维度上，在黑洞中，它导致了一些分层和时空的小口袋。有了这个结果，Andrew Strominger和Cumrun Vaya在一年后发现，这种分层恰好部分地解决了熵的问题，因为热量会被困在其他维度，因此不会是描述黑洞的属性。但是，这个解决方案只适用于对称黑洞，这是一个高度理想化的情况(Polchinski 40)。

Maldacena二元性

为了解决信息悖论，胡安·马尔达塞纳提出了马尔达塞纳对偶，它能够通过扩展展示如何使用专门的量子力学来描述量子引力。对于黑洞，他能够扩展热核物理的数学，并描述黑洞的一些量子力学。这有助于解决信息悖论，因为既然引力具有量子性质，它就为信息提供了一条穿越不确定性的逃生路线。虽然还不知道对偶是否有效，但它实际上并没有描述信息是如何被保存的，只描述了它将是因为量子引力(Polchinski 40)。

为了解决信息悖论，Leonard Susskind和Gerard Hooft提出了黑洞互补理论。在这种情况下，一旦你通过了EH，你就可以看到被困住的信息，但如果你在外面，那就没有机会了，因为它被锁起来了，乱码得认不出来。如果两个人被放置在EH之外，一个人在外面，他们将无法相互交流，但信息将被确认并以一种混乱的形式存储在事件视界上，这就是为什么信息定律被维持的原因。但事实证明，当你试图开发完整的机制时，你会遇到一个全新的问题。看到一个令人不安的趋势了吗?(Polchinksi 41, Cole)。

你看，Polchinski和他的团队获取了所有这些信息，并意识到:如果EH外部的人试图告诉EH内部的人他们观察到的关于HR的情况会怎样?他们当然可以通过单向传播来做到这一点。关于该粒子状态的信息将被加倍(量子)，因为内部人员将同时拥有HR粒子状态和传输粒子状态，从而实现纠缠。但现在内部的粒子与HR和外部的粒子纠缠在一起，这违反了“单偶量子纠缠”。(Ouellette, Parfeni, Powell 70, Polchinski 40, Hossenfelder“Head”)。

他们不合作

似乎EP、HR和纠缠的某种组合可以起作用，但不能三者都起作用。其中一个必须被淘汰，无论科学家选择哪一个，问题都会出现。如果纠缠被取消，那么这意味着HR将不再与通过EH的粒子相连，信息将丢失，这违反了幺正性。为了保存这些信息，两个虚拟粒子都必须被摧毁(才能知道它们都发生了什么)，创建一个“防火墙”，一旦你通过EH，就会杀死你，这违反了EP。如果HR被丢弃，能量守恒就会被违背，因为失去了一点现实。最好的情况是放弃EP，但在如此多的测试表明它是正确的之后，这可能意味着广义相对论将不得不被改变(Ouellette, Parfeni, Powell 68, Moyer, Polchinksi 41, Giddings 52)。

这方面的证据可能是存在的。如果防火墙是真实存在的，那么由黑洞合并产生的引力波将穿过黑洞的中心，并在击中视界后再次反弹，产生钟状效应，即回声，可以在穿过地球的波信号中检测到。通过观察LIGO的数据，由Vitor Cardoso和Niayesh Afshordi领导的团队发现回声是存在的，但他们的发现缺乏统计学意义，因此我们现在必须假设结果是噪声(Hossenfelder“Black”)。

可能的解决方案

科学界并没有放弃上述任何一条基本原则。第一次努力，50多名物理学家在两天的时间内工作，没有任何成果(Ouellette)。然而，一些精选的团队提出了可能的解决方案。

虫洞的使用

Juan Maldacena和Leonard Susskind研究了使用虫洞。它们本质上是连接时空中的两点的隧道，但它们非常不稳定，经常坍塌。它们是广义相对论的直接结果，但胡安和伦纳德已经证明虫洞也可以是量子力学的结果。两个黑洞实际上可以纠缠在一起，通过它，形成一个虫洞(Aron)。

胡安和伦纳德将这一想法应用于离开黑洞的HR，并提出了每个HR粒子作为虫洞的入口，都通向黑洞，从而消除了我们怀疑的量子纠缠。相反，HR在一夫一妻制(或1对1)的纠缠中被捆绑在黑洞上。这意味着两个粒子之间的键被保留，不释放能量，防止防火墙形成，让信息逃离黑洞。这并不意味着FP不会继续发生，胡安和伦纳德指出，如果有人通过虫洞发送冲击波，连锁反应可能会创建防火墙，因为该信息将被阻止，导致我们的防火墙塞纳里奥。由于这是一个可选特性，而不是虫洞解决方案的强制设置，他们对其解决悖论的能力充满信心。其他人质疑这项工作，因为该理论预测虫洞的入口太小，无法让量子比特穿过，也就是应该逃脱的信息(Aron, Cole, Wolchover, Brown“防火墙”)。

不全是黑与白

当然霍金先生也有解决办法。他认为我们应该把黑洞重新想象成更像灰洞，那里有一个明显的视界和一个可能的EH。这个在EH之外的表观视界，直接随着黑洞内部的量子涨落而变化，并导致信息在周围混合。这通过维护EP(因为没有防火墙存在)来维护广义相对论，并且它还通过确保服从统一性来节省QM(因为信息不会被破坏，只是在离开灰洞时混合)。然而，这一理论的一个微妙含义是，视视界可以根据与霍金辐射相似的原理蒸发。一旦发生这种情况，任何东西都有可能留下黑洞。此外，这项工作意味着奇点可能不需要一个明显的视界在发挥作用，而是一个混乱的大量信息(O'Neill“没有黑洞”，Powell 70, Merall, Choi。莫耶，布朗“斯蒂芬”)。

激光缩写

另一个可能的解决方案是激光的概念，或“光放大模拟辐射发射”。具体来说，当一个光子撞击到一种物质时，它会像它一样发出光子，并引起光产生的失控效应。克里斯·阿达米(Chris Adami)将此应用于黑洞和EH，他说信息被复制并以“模拟发射”(这与HR不同)发射出去。他知道“不可克隆”定理，即信息不能完全复制，所以他展示了HR如何防止这种情况发生，并允许模拟发射发生。这种解决方案还允许纠缠，因为HR将不再与外部粒子捆绑，从而防止了FP。激光解决方案没有解决EH之后发生的事情，也没有提供一种方法来发现这种模拟发射，但进一步的工作看起来很有前途(O 'Neill“激光”)。

当然，黑洞可能只是模糊的。萨米尔·马瑟斯(Samir Mathus)在2003年利用弦理论和量子力学的初步工作指出了一个与我们预期不同的黑洞版本。在这个模型中，黑洞的体积非常小(不是零)，其表面是一堆相互冲突的字符串，这使得物体的表面细节变得模糊。这就是全息图如何复制并将物体转换为低维副本，而霍金辐射是复制的结果。在这个物体中不存在EH，因此防火墙不再摧毁你，而是将你保存在一个黑洞中。然后它可能会进入另一个宇宙。主要的问题是，这样的原理需要一个完美的黑洞，而目前还没有。相反，人们正在寻找一种“近乎完美”的解决方案。另一个问题是绒毛球的大小。事实证明，如果它足够大，那么来自它的辐射可能不会杀死你(这听起来很奇怪)，但如果太小，那么致密性会导致更高的辐射流，因此可以想象，在意大利面接管之前，一个人可以在模糊球表面之外存活一段时间。 It would also involve non-local behavior, a big no-no (Reid; Taylor; Howard; Wood; Giddings 52, 55).

也许这完全取决于我们采取的方法。斯蒂芬·b·吉丁斯(Stephen B. Giddings)提出了两种不存在防火墙的潜在解决方案，即量子光晕BH。这些潜在的物体之一，“强非暴力路线”，将以不同的方式看待黑洞周围的时空，因此它足够柔软，允许一个人通过EH而不会被消灭。“弱非暴力路线”将看到黑洞周围的时空波动，从而允许信息从碰巧离开EH周围区域的粒子中传播那面积与可能离开的信息量相对应。通过改变时空(即不是平坦的，而是严重弯曲的)，有可能实现通常会违反局域性的超光速旅行只能在黑洞附近．我们需要观测证据来观察黑洞周围的时空是否与我们理论的量子晕行为相匹配(Giddings 56-7)。

他们真的存在吗?

最困难的答案可能是黑洞不存在。来自北卡罗莱纳大学的Laura Mersini-Houghton的研究表明，超新星产生的能量和压力是向外的，而不是人们普遍认为的向内的。恒星一旦达到一定半径就会内爆而不是爆炸，因此不会产生形成黑洞所需的条件。她进一步说，即使黑洞场景是可能的，由于时空的扭曲，它也永远不可能完全形成。我们会看到恒星表面永远接近视界。不出所料，科学家们对这个想法并不热心，因为大量证据表明黑洞是真实存在的。这样的物体是高度不稳定的，需要非局部的行为来维持它。霍顿的工作只是一个反证据，还不足以推翻迄今为止的科学发现(鲍威尔72，弗里曼，吉丁斯54)。

作品的引用

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©2014 Leonard Kelley

评论

Reaper862019年2月27日:

@Huzaifa

在最简单的答案中，没有任何科学的解释来解释为什么，物体有质量，光不一定有质量，在某些情况下，光可以有质量，然而大多数时候，光只是可见光谱中的能量。

这个相当简单的解释背后的科学是漫长而复杂的，抱歉，我不是科学家。

Huzaifa2018年2月6日:

请您解释一下…我在某处读到过，如果一个物体接近光速，它们就会变成黑洞.....我的问题是为什么光本身不转移到黑洞中