再論黑洞火牆與量子糾纏

愛因斯坦

一場從2012年夏天開始的爭論，到如今愈演愈烈。理論物理學家們還在為此思考，並且為之感到迷惑、為難或是激動。這群從事著可能是世界上最奇特職業的人思緒集中在宇宙中一個人類完全無法抵達的區域，在這裡，理論物理學和理論物理學家們都遇到了大麻煩。在這一年多的時間裡，爭論與其說是使理論物理學家們取得了進步，倒不如說是讓他們退回到了40年前的境地，現在這些理論物理學家們不得不面對這樣的問題：量子力學到底出了什麼問題？

這群理論物理學家爭論的焦點仍然集中在黑洞這種宇宙中最奇異的天體上。在宇宙中一些死亡的恆星最終可能會由於自身重力的坍塌而形成黑洞，這是由廣義相對論推導出的一個自然的結果（雖然愛因斯坦本人並不相信），雖然宇宙學家無法直接觀測到黑洞的存在，人們卻已經通過很多種間接的方式證明了黑洞是一種在宇宙中普遍存在的天體，比如說在銀河系的中心，就存在著一個超大型黑洞。當然，這並不是現在理論物理學家們關注的問題，黑洞對於理論物理學家們來說，有著另外一層更深遠的意義，它是目前人類物理學的兩大支柱：量子物理學和廣義相對論交鋒的場所。

量子力學主要描述的是在極小尺度下的物理規則，而廣義相對論則通常是用來描述大尺度的宇宙空間的性質，可以說這兩種理論有著各自的適用範圍，但矛盾在於，這兩種理論在目前無法融合在一起。物理學家們通過廣義相對論推導出了黑洞的存在，但是這種奇特的天體卻具有顯著的量子效應，也就是說，這兩種理論都可以在黑洞的性質中得到體現，無怪它成為兩種理論交鋒的最新場所。

引發爭論的源頭還是那篇在2012年7月份，美國加州大學聖芭芭拉分校兩位理論物理學家和他們的學生（如今這四個人作為引發爭論、發現這個悖論的創始者被稱為AMPS）發表的論文預印本：《黑洞：互補性或是火牆？》（Black Holes：Complementarity or Firewalls）。這篇論文把量子物理學和廣義相對論的矛盾集中在了黑洞的邊界——視界（Event Horizon）上，這讓這場震動了整個物理學界的爭論有了一點坐而論道的意味：沒有任何人可以接近黑洞，或是真正在黑洞的邊緣進行實驗，但是這些全人類最優秀的頭腦卻在思考一對在黑洞的視界邊緣、狀態緊密的相關粒子，如果當其中之一進入了黑洞，會發生什麼情況。在理論上，這種由廣義相對論推導而出的天體遭遇到量子力學中最為奇特的一種現象：量子糾纏（Quantum Entanglement），矛盾也就由此產生。

愛因斯坦從來沒有掩飾過他對於量子力學的不信任，他不認為量子力學的概率性表達揭示了自然界的規律，他對於量子力學中玄而又玄的量子糾纏現象尤其懷疑，稱這種現象為「鬼魅般的超距作用」（Spooky Actionata Distance）。兩個處於糾纏態的粒子，無論相隔多少光年，它們之間的狀態始終不受空間的影響，相互糾纏，這明顯違背了相對論，但是令人不安的是，量子糾纏現象已經被各種實驗證實，成為了量子力學最基礎的概念之一。如今，在黑洞的邊緣，這種鬼魅般的超距作用，似乎準備開始報復愛因斯坦，於是理論物理學又面臨著這樣一個問題：愛因斯坦錯了嗎？廣義相對論的等效原理是否還適用？

美國航空航天局於8月29日公布的超級黑洞示意圖

在黑洞的邊界，當一對處於糾纏態的粒子其中之一留在黑洞之外，而另外的一個粒子進入了黑洞的視界，會發生什麼情況？根據廣義相對論的預測，這個進入黑洞領域的粒子除了永遠不能再逃出黑洞之外，不會有任何特殊的經歷。根據廣義相對論的等效原理，即使是一個人進入了黑洞，也不會有十分特殊的感受，只有在非常接近黑洞的中心時才會感受到強大的引力。但是如果把這一條簡單的等效原理與早就被實驗確認的量子糾纏現象結合起來，便形成了一個悖論：進入黑洞視界的粒子是否還能保持與黑洞之外的粒子的糾纏狀態？

如果進入黑洞的粒子繼續保持和黑洞外部粒子的糾纏狀態，那麼這將違反量子力學對於黑洞性質的判斷——被黑洞吸收的信息將永遠消失。根據量子力學的預測，在黑洞外部的粒子，需要與黑洞外部的另外一個粒子形成糾纏態，但是這很明顯違背量子糾纏最基本的準則：一個粒子只能與另外一個粒子形成糾纏態，無法同時和其他兩個粒子同時保持糾纏狀態——那麼，究竟應該與誰形成糾纏態？如果這兩個原本糾纏的粒子在其中之一進入黑洞的視界時糾纏狀態忽然發生改變，這又是如何發生的？這就是「黑洞火牆」悖論。有越來越多的理論物理學家認為，在黑洞的視界周圍，存在著一個由「霍金蒸發」形成的火牆，這個能量巨大的火牆可以保證任何進入其中的粒子與外界的糾纏狀態在瞬間被破壞掉，這個火牆也足以保證任何進入黑洞視界內部的人還沒等到被黑洞的引力變成一根麵條，在它的邊界處就化為灰燼。

與量子力學一樣，廣義相對論也經歷了將近100年的實踐檢驗，沒有廣義相對論，就沒有宇宙學的誕生，也不會有GPS定位系統。那麼，在黑洞這個廣義相對論最為極限的預測中，在這個廣義相對論與量子力學短兵相接的戰場，現在理論物理學家究竟該放棄什麼？加州大學伯克利分校的理論物理學家拉菲爾·布索（Raphael Bousso）認為，這簡直就是「來自地獄的菜單」。加州大學聖芭芭拉分校的理論物理學家約瑟夫·玻爾欽斯基（Joseph Polchinski）則認為，這是因為人類還遠沒有認識到時空和引力的本質。那麼，什麼才是宇宙中最本質的東西？有物理學家認為，宇宙中最為本質的正是量子糾纏、時空以及引力效應，實際上都是量子糾纏狀態的體現，因此才會產生出這樣的悖論，這使得這個悖論在短時間內還無法解決。

量子糾纏狀態是否是宇宙中最根本的狀態？顯然還有更多的理論物理學家認為是這樣，不僅是引力，有人認為就連物理學中最基本的「時間」概念實際上也是由量子糾纏狀態衍生出來的。2013年10月17日，幾位來自義大利和俄羅斯的物理學家在網上發表了他們的論文——《量子糾纏產生的時間：一個實驗性的幻覺》（Time From Quantum Entanglement：An Experimental Illustration）。在論文中，作者認為，在一個「宇宙」中，正是由於時鐘與宇宙的其他部分發生了量子糾纏，才使得這個宇宙中的觀測者產生了時間正在流逝的幻覺，而對於宇宙之外的「超觀測者」來說，整個宇宙的狀態實際上則是停滯的，並不存在時間的概念。為了解釋這一點，作者們創造了一個只有兩個光子組成的「宇宙」，這兩個處於糾纏態的光子其中之一為時鐘，對於另外一個光子來說，時間正在運行，可是對於這個宇宙之外的「超觀測者」來說，這兩個光子的狀態並不曾改變，時間並不存在。

這次物理學界的大爭論，與物理學史上的其他爭論最大的區別就在於它是完全基於理論產生的悖論，而沒有（也不可能有）任何實驗證據支持其中的任何一方，這在人類科學發展史上恐怕是空前的，這也說明了人類對於自然界規則的認識已經到達了一定的高度。不能忽視的是，這個悖論產生的源頭就在於愛因斯坦始終深深懷疑的量子糾纏現象，而爭論的戰場則是在愛因斯坦始終不相信的黑洞。此刻再想起愛因斯坦的評價，「鬼魅般的超距作用」，恐怕理論物理學家們會有更深的體會了。

在19世紀與20世紀之交，英國開爾文勛爵在回顧物理學的主要成就時，認為當時的物理學大廈已經完成，只是在上空飄浮著「兩朵烏雲」。一語成讖，隨後這兩朵烏雲引來的暴風驟雨摧毀了經典物理學，也催生了量子力學和廣義相對論。如今當這兩朵烏雲再次發生碰撞，產生的閃電讓人們見到了那個始終揮之不去的「鬼魅般的超距作用」——量子糾纏。人們不知道這次關於這個悖論的爭論將會持續多久，又將對物理學，對人們對宇宙的認識，產生怎樣的影響。

推薦閱讀：