我们解决了黑洞信息悖论了吗？

原创作者：Yasunori Nomura                                                                                              翻译：南极的那只企鹅

黑洞是宇宙中一些最奇特的物体，对物理学家来说是一个悖论。我们最好的两个理论为我们提供了两种不同且看似矛盾的关于这些物体如何工作的图片。许多科学家，包括我自己，一直在努力调和这些愿景，不仅是为了理解黑洞本身，而且是为了回答更深层次的问题，比如“什么是时空？” 虽然我和其他研究人员多年来取得了一些部分进展，但问题仍然存在。然而，在过去一年左右的时间里，我开发了一个框架，我相信它优雅地解决了这个问题，让我们瞥见了时空如何在最基本的层面上出现的奥秘。

问题是：从广义相对论的角度来看，如果物质的密度变得太大并且重力使物质一直向其中心点坍缩，就会产生黑洞。当这种情况发生时，该区域的引力非常强大，以至于没有任何东西——即使是光——也无法逃脱。因此，即使在原则上，黑洞的内部也无法从外部看到，并且称为事件视界的边界充当单向膜：没有任何东西可以从内部到外部，但是有从外部跌落到内部没有问题。

但是当我们考虑量子力学的影响时，量子力学是控制基本粒子的理论，我们得到了另一幅图景。1974 年，斯蒂芬霍金提出了一个让他成名的计算。他发现，如果我们包括量子力学效应，黑洞实际上会辐射，尽管非常缓慢。结果，它逐渐失去质量并最终蒸发。该结论现已通过多种方法检验，其基本正确性是毋庸置疑的。然而，奇怪的是，在霍金的计算中，黑洞发出的辐射并不取决于物体是如何产生的。这意味着由不同初始状态产生的两个黑洞最终可能会产生相同的最终辐射。

这是一个问题吗？是的。现代物理学建立在这样一个假设之上：如果我们对一个系统有完美的了解，那么我们就可以通过求解运动方程来预测它的未来并推断它的过去。霍金的结果将意味着这个基本原则是错误的。我们中的许多人认为这个问题在 1997 年解决了，当时胡安·马尔达西纳发现了一种新的查看情况的方法，这似乎证明没有丢失任何信息。

解决了问题？不完全。2012 年，加州大学圣巴巴拉分校的艾哈迈德·阿尔姆海里 (Ahmed Almheiri) 和合作者在他们有影响力的论文中提出了一个强有力的论点，即如果在霍金发射过程中保留了信息，那么它就与地平线的“平滑度”不一致——一个物体可以通过事件视界而不受影响的概念。鉴于信息丢失的选择是不可能的，他们认为黑洞视界实际上不是单向膜，而是像牢不可破的墙一样的东西，他们称之为防火墙。

这让理论家们非常困惑。尽管他们不喜欢信息丢失，但他们也讨厌防火墙。除此之外，防火墙的想法意味着爱因斯坦的广义相对论是完全错误的，至少在黑洞的视界是这样。事实上，这完全违反直觉。对于一个大黑洞，地平线上的引力实际上非常微弱，因为它远离所有物质所在的中心点。因此，靠近地平线的区域看起来很像空白空间，但防火墙论点说空间必须在地平线的位置突然“结束”。

我的新工作的主旨是要认识到对黑洞的描述是多层次的，信息的保存和视界的平滑是指不同层次的理论。在一个层面上，我们可以从远处描述一个黑洞：黑洞是由物质坍缩形成的，最终蒸发，在太空中留下霍金辐射的量子。从这个角度来看，马尔达西纳的见解是成立的，在这个过程中没有信息丢失。那是因为，在这张图片中，坠向黑洞的物体永远不会进入地平线，这不是因为防火墙，而是因为坠落物体的时钟与远处观察者的时钟之间存在时间延迟。物体似乎在慢慢“吸收”到地平线中，

另一方面，从落入其中的人的角度看系统时，黑洞内部的图像就会浮现。在这里，我们必须“忽略”下落观察者无法看到的系统细节，因为他或她只有有限的时间才能击中黑洞中心的奇异点。这限制了他们可以访问的信息量，即使在原则上也是如此。因此，落入观察者所感知的世界是“粗粒度”的。而在这张图片中，信息不需要被保留，因为我们甚至为了达到这个角度已经扔掉了一些信息。这就是内部时空的存在可以与信息保存相兼容的方式：它们是不同层次的自然描述的属性！

为了更好地理解这个概念，下面的类比可能会有所帮助。想象一下水箱中的水并考虑描述表面波浪的理论。从根本上讲，水由一堆水分子组成，这些水分子相互移动、振动和碰撞。凭借对它们属性的完美了解，我们可以确定性地描述它们而不会丢失信息。这样描述就完整了，甚至不需要引入波浪的概念。另一方面，我们可以通过忽略分子水平的细节并将水描述为液体来关注波浪。然而，在本描述中没有保留原子级信息。例如，波浪可以简单地“消失，

这个框架告诉我们，广义相对论提供的时空图景并不像我们想象的那么基本——它只是在自然层次描述中出现在更高层次的图景，至少是关于黑洞内部的. 之前已经以不同形式讨论过类似的想法，但新框架允许我们明确识别相关的微观自由度——换句话说，大自然的基本组成部分——参与时空的出现，这令人惊讶地涉及到我们通常认为远离感兴趣区域的元素。

这种关于悖论的新思维方式也可以应用于最近由 Geoff Penington、Stephen H. Shenker、Douglas Stanford 和zhenbin Yang 设计的设置，其中更严格地但在简化的系统中应用了马尔达西纳的场景。这使我们能够确定此类分析捕获或未捕获现实黑洞的哪些特征。

从笛卡尔和伽利略时代开始，物理学的革命往往与对时空概念的新理解联系在一起，我们现在似乎正处于另一场这样的革命之中。我强烈怀疑我们可能很快就会在质的不同和更深的层次上见证对自然的新理解的出现。

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