2020年11月10日 举世科学图片泉源：Ashley Mackenzie/Quanta Magazine　　黑洞、信息、纠缠熵、虫洞、拓扑、涨落……50年前霍金提出的黑洞信息悖论，似乎正在无数高深名词的陪同下走向终结。　　由于量子不确定性，黑洞会发生辐射（即霍金辐射），并因此徐徐丢失质量，最终完全蒸发。这导致了黑洞信息悖论，任何落入黑洞的工具似乎都市永远消失，包罗信息，而这违反了量子力学中时间演化的幺正性，也就是说对于某个粒子，在全空间内任意时刻找到它的概率应该为1。

随着一系列突破性的论文，理论物理学家已经很是靠近于解决近50年来一直困扰着他们的黑洞信息悖论。现在，他们可以确切地说，信息确实脱离了黑洞。

　　当你跳进一个黑洞，你并不会永远消失在黑洞中。你身体里一个个粒子的排列方式，也就是信息，终归会重新泛起。大多数物理学家恒久以来因为弦论默认这是天经地义的。但这次的盘算，虽然灵感来自于弦论，却没有涉及弦论。

信息仅仅通过引力和单层量子效应就能脱离黑洞。　　霍金等人试图用量子理论来形貌黑洞内部和周围的物质，可是对于引力则仍使用爱因斯坦经典的理论，这种混搭被物理学家们称为“半经典”。　　新的研究发现了分外的半经典效应，一种爱因斯坦理论允许，但霍金没有思量的新引力构型。当黑洞年事很大，这种效应会占据主导。

这时，黑洞从关闭转向开放。不仅是信息会泄露出来，任何刚落入黑洞的工具都市立刻泛起。　　这项事情将高度数学的多重盘算技巧串在一起，难以解释，难以明白。

虫洞、全息原理、涌现时空、量子纠缠、量子盘算……基础物理学中险些每一个观点都在此泛起，让这个主题虽然庞大杂乱，却也令人流连忘返。　　佩奇曲线　　上世界70年月，唐·佩奇（Don Page）在霍金名下读研究生时开始黑洞相关的研究，他研究的是让霍金发现黑洞辐射的关键点：黑洞边缘的随机量子历程。　　黑洞抛射出的粒子似乎没有携带任何内部的信息。

如果一名100公斤的宇航员掉进黑洞，黑洞质量会增加100公斤。然而，当黑洞辐射出相当于100公斤的能量时，辐射中却不包罗任何信息，你无法分辨这些辐射是来自一名宇航员还是一块铅。

　　这是一个很严重的问题，因为黑洞终归要完全蒸发，剩下的只是一堆随机乱飞的粒子，任何掉进去的物体都不行能恢复。这让黑洞的形成和蒸发成了一个不行逆历程，而这似乎违背了量子力学定律。　　霍金和其时大部门理论物理学家接受了这个结论：如果不行逆转性违背了其时的理论，那应该是理论错了。可是佩奇却感应不安，因为不行逆转性会违反时间的基本对称性。

1980年，他和导师霍金闹掰了，他认为黑洞必须释放，或者至少保留进入黑洞的信息。物理学家分成了两派。佩奇说：“大多数广义相对论学者都认同霍金，可是粒子物理学家更倾向于我的看法。

”　　他思量的是这个历程中被忽视的部门：量子纠缠。发射的辐射和辐射源应还保持量子力学上的联系。

如果你单独观察辐射或者黑洞，它们看起来是随机的。可是如果同时观察两者，它们就会体现出某个模式。就像用密码加密数据一样，单独的密码和加密信息都毫无意义，可是在一起却能解锁信息。

佩奇认为，信息可以以类似的加密形式从黑洞中被释放。　　佩奇盘算了黑洞和辐射之间的纠缠总量，这个总量被称为纠缠熵（entanglement entropy）。开始还没有辐射时，纠缠熵为零。

竣事时没有黑洞，纠缠熵也为零。在中间历程陪同辐射历程，会发生纠缠熵。总体而言纠缠熵应该像一个倒V字。

　图片泉源：Samuel Velasco/Quanta Magazine　　佩奇盘算出，纠缠熵从上升到下降的反转约莫在黑洞蒸发历程的一半时发生，这个时刻被称为“佩奇时间”。这比物理学家们假设的早得多，在这个阶段黑洞仍是庞大的，已知的物理定律在此仍然适用，不会泛起亚原子巨细黑洞导致的种种奇怪效应。

　　佩奇的分析证明黑洞信息问题是一个悖论，而不仅仅是个难题。它袒露了半经典近似的内在冲突。　　乐观来看，佩奇的看法为解决问题铺平了门路。

他证实，如果纠缠熵遵循佩奇曲线（Page curve），那么信息就会从黑洞中逃逸。这样，他把争论转化成了盘算，而物理学家们总是更喜欢盘算。　　只管佩奇阐明晰物理学家必须做什么，但他们花了快要三十年才弄明确要怎么做。

　　黑洞内外　　已往两年，物理学家已经讲明，黑洞的纠缠熵确实遵循佩奇曲线，信息会从黑洞中逃逸。他们分阶段展开了分析。

首先，他们展示了弦论的看法。然后，在去年秋天揭晓的论文中，研究人员彻底切断了弦论的束缚。　　这项事情于2018年10月启动，其时艾哈迈德·阿尔姆海里（Ahmed Almheiri）提出研究黑洞如何蒸发。

阿尔姆海里很快与几位同事一起，应用了胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena）于1997年建设的学说。　　AdS/CFT对偶，全称为反德西特/共形场论对偶，常被称为全息理论。它讲明包罗量子引力理论的n+1维AdS空间和这个空间n维界限上的共形场论对换。

换句话说，研究黑洞外貌和研究包罗量子引力的黑洞内部是等价的，却避开了量子引力，同时也降低了维度。由于这种特性，自从马尔达塞纳先容这种理论以来，它一直都是弦论学者最喜欢的游乐场。　　经由多年的研究，现在物理学家们现在已经能确定黑洞内部和界限的对应关系。其中关键是盘算量子极值外貌。

就像吹肥皂泡一样，气泡的自然形状要求它外貌积最小。量子极值外貌并纷歧定是肥皂泡那样的球面，因为这里使用的几何规则可能和我们日常熟悉的规则有所差别，量子效应也会对其发生影响。

正因如此，可以将其看成黑洞几何学和量子效应的探针。　　通过量子极值外貌，研究人员获得两条重要信息。

首先，曲面将黑洞内部门成两个部门，它们各自和界限的一部门对应。其次，外貌积与界限两部门之间的部门纠缠熵成正比。因此，量子极值外貌将几何观点（面积）与量子观点（纠缠）联系起来，从而窥探引力和量子理论如何统一。

　　用量子极值外貌研究黑洞蒸发时，研究人员发现了一件奇怪的事情。蒸发早期，界限的纠缠熵如预期那样增加，因为黑洞是这个空间内唯一的工具。

到现在为止，霍金的原始盘算体现还不错。　　变化突然泛起了，量子极值外貌在视界内突然泛起，最终成为导致熵下降的决议性因素。

图片泉源：Samuel Velasco/Quanta Magazine　　这意味着三件事。第一，这种突然的转变标志着新物理学的开始，这是霍金没有思量到的。第二，极值外貌将宇宙一分为二。

一部门等效于界限，另一部门是没有信息的危险地带。第三，量子极值外貌的位置至关重要。

它位于黑洞视界之内。当黑洞缩小，量子极值外貌和纠缠熵都缩小了。

这是第一次通过盘算得出了佩奇预测的纠缠熵下降。　　2019年8月，阿尔姆海里和另一组研究者将注意力转向了辐射。他们发现黑洞和它发射的辐射遵循相同的佩奇曲线，因此信息必须从一个曲线转移到另一个曲线。

盘算并没有讲明它是如何转移的，只说会有这种转移。　　他们还发现随着黑洞的蒸发，原本黑洞深处的粒子不再是黑洞的一部门，而成为辐射的一部门。粒子并没有飞出黑洞，只是被重新分配了。

正是这些内部粒子造成了黑洞和辐射之间的纠缠熵。如果不再是黑洞的一部门，它们就不再对熵有孝敬，这也解释了为何熵为何开始淘汰。

　　进入虫洞　　现在为止的盘算都应用了AdS/CFT对偶，但究竟它只是一种学说。下一步脱离它来思量黑洞。　　研究人员借鉴了理查德·费曼（Richard Feynman）在20世纪40年月建设的观点：路径积分。

在量子力学中，从A到B的粒子会经由所有可能的路径，而这些路径又被加权合并。权重最高的路径通常就是经典物理中获得的路径，但并非总是如此。如果权重改变，粒子可能从一条路径突然移动到另一条路径，履历一个经典物理中不行能的过渡。

　　在霍金看来，所有的路径意味着所有的拓扑。时空可能会形成种种扭结，分外的毗连缔造了毗连遥远时空的通道，也就是“虫洞”。科幻小说钟爱虫洞，不外研究人员这次在分析黑洞问题时，只是暂时采取了这个观点。　　思量所有拓扑是不行能的，因为它们是不行数的。

所以他们只看那些对黑洞蒸发最重要的拓扑。在数学上，它们被称为鞍点，看上去是相当平直的几何形状。

最后，团队使用了部门的拓扑，并将路径积分作为识别鞍点的前言。　　将路径积分应用于黑洞及其辐射后，就能盘算纠缠熵了。　　效果显示虫洞和单个黑洞的权重基本上和它们的纠缠熵负相关。

虫洞有许多纠缠熵，所以开始时权重很低。当它们的熵淘汰时，霍金辐射不停攀升。

最终，虫洞成为两者的主导，接受了黑洞。这种从一种几何到另一种的转变在经典的广义相对论中是不行能的，这是一种固有的量子历程。

分外的几何构型和其中的转变历程是这次分析的主要发现。　　2019年11月，两组物理学家公布了他们的结果，讲明他们重现了佩奇曲线。

这样，他们证实了黑洞辐射同时也会带走落入黑洞的信息。弦论不必是对的，纵然是弦论坚定的批判者，也能通过引力路径积剖析决问题。　　还未完结　　有人对分析中使用的摇摇欲坠的理想化假设感应不安，现今的物理学家是否落入了某种陷阱？　　如果怀疑的原因是最近的事情是过于庞大且开端的，这样的怀疑是很是有原理的。

物理学家需要时间来消化这些效果——或是发现致命的错误，或是证实效果正确。究竟，纵然是这些事情背后的物理学家也没有预想他们在没有完整量子引力理论的情况下，就能解决黑洞信息悖论。事实上，他们认为这个悖论是窥探这个理论的重要支点。

　　但就现在而言，这最多只是开端的竣事，关于黑洞的探索远未到止境。理论物理学家还没有绘制出信息从黑洞中逃逸的历程。

修订后的半经典理论还没有解释信息如何重新泛起，可是在已往两年中，理论物理学家已经找到了逃离机制的线索。　　不外庞大的机缘往往也陪同着庞大的挑战。如果涉及量子引力的深入盘算，整个理论可能反而更难完成。

希望这次物理学家能解决这些问题，而不是被上帝开了一个镜花水月的玩笑。　　当不小心掉入黑洞的宇航员问能否走出来时，物理学家会回覆：“固然可以！”可是当宇航员问怎么出来时，物理学家令人不安的回覆是：“还不知道。”。

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