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黑洞火墙

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黑洞火墙（英语：black hole firewall）描述一个理论物理学上仍处在假说阶段的现象：当一位观察者落入黑洞的事件视界表面时，会遭遇高能量的量子密集地聚在一起形成的“火墙”。火墙的概念于2012年由四位物理学家提出：阿赫麦德·阿姆黑利（Ahmed Almheiri）、唐纳德·马若夫（Donald Marolf）、约瑟夫·波尔钦斯基（Joseph Polchinski）、詹姆斯·苏利（英语：James Sully (physicist）（James Sully）[1]，以其姓氏字首又称AMPS火墙。此现象为黑洞互补性（英语：black hole complementarity）问题的可能解。[2]目前学界对此一概念仍有争议，并未全然接受这样的方案。[3]2016年科学家从LIGO的观测中发现一些可能为火墙存在的证据，或其他违反广义相对论的现象存在的可能证据。[4]

可能存在的佯谬

根据弯曲时空中的量子场论，霍金辐射与两个互相量子纠缠的粒子有关。一个向外辐射的粒子，在逃离黑洞之后成为霍金辐射的量子；而向内坠落的粒子则被黑洞所吞噬。假设黑洞于一个有限的时间内形成，并会在未来的一个有限时间之内完全蒸发。则该黑洞只会借由霍金辐射辐射出有限数量的信息。同时假设在某一个时刻时，已有超过半数的信息已经借由霍金辐射逸散离开黑洞。根据一些广为接受的研究（例如唐·佩奇[5][6]和李奥纳特·萨斯坎德所做的），一个在时刻向外辐射的粒子必须和所有的霍金辐射量子有量子纠缠。然而这产生了一个悖论：根据“单配偶纠缠”（monogamy of entanglement）原理，如果有A、B、C三种粒子，当A与B两种量子最大限度的纠缠在一起时，不可能与第三种粒子C发生量子纠缠。意即在这个问题中，向外离开的粒子不能同时与向内坠落的粒子和与已经变成霍金辐射的粒子发生量子纠缠。但在这里，向外离开的粒子似乎同时与“向内坠落的粒子”以及“已经变成霍金辐射的量子”有所纠缠。[3]

为了解决这个佯谬，物理学家可能会被迫放弃三个久经检验的理论之一：爱因斯坦的“等价原理”、“统一性”或现有的“量子场论”。[7]

会导致火墙出现的佯谬解

一些科学家认为向内坠落的粒子和向外离开的粒子之间的量子纠缠会立即断开。而纠缠断开的同时会释出庞大的能量，在黑洞的事件视界产生灼热的“黑洞火墙”。这一个解析方案违反了爱因斯坦的等效原理。[3]

不会导致火墙出现的佯谬解

一些科学家认为向外离开的粒子与霍金辐射之间其实不存在量子纠缠。这个解决方案需要符合黑洞信息佯谬，并违反了统一性。[3]

其他学者，例如史蒂文·吉丁格斯（法语：Steven Giddings），认为应该借由修改量子场论，使向外离开以及向内坠落的粒子之间的纠缠“逐渐消失”，令黑洞内的能量以较为缓和的方式释出，因此不会形成火墙。[3]

胡安·马尔达西那和李奥纳特·萨斯坎德提出，在ER=EPR之中，向外离开以及向内坠落的粒子会以某种方式被虫洞所联结，所以并非独立系统；然而截至2013年，该假说仍处于建构阶段。[8][9]

模糊球（fuzzball）的概念描述了一个分析方法：因为霍金辐射所带的信息和黑洞形成过程有关，透过将“无毛定理”证明过程中的真空态置换成一个连续的量子状态（stringy quantum state）来解析这个问题。[10][11]

特征与侦测

火墙可能存在于黑洞的事件视界附近，而位于事件视界之外的观察者无法观察到它。组成火墙的高能粒子会摧毁穿越事件视界的物质。[3]

两黑洞合并产生的引力波在模糊的事件视界附近反弹时，火墙（如果有的话）可能会以“回声”（echoes）的形式在向外传递的重力场辐射中留下关于火墙特征的信息。因为物理学家至今还没有一个好的物理模型来描述火墙，理论上还不清楚该回声的量值。2016年，宇宙学家Niayesh Afshordi等人在LIGO第一个侦测到的黑洞合并数据中，发现一些这类回声存在的可能迹象。基于镭射干涉引力波天文台（LIGO）累积了更多的数据，接下来的两年应该能更肯定回声存在与否。如果证实了回声的存在，它将成为火墙或模糊球（fuzzball）存在的有力证据，并证实经典广义相对论在事件视界附近失效。[4]

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参考文献

  1. ^ Almheiri, Ahmed; Marolf, Donald; Polchinski, Joseph; Sully, James. Black holes: complementarity or firewalls?. Journal of High Energy Physics. 2013-02-11, 2013 (2). Bibcode:2013JHEP...02..062A. arXiv:1207.3123 可免费查阅. doi:10.1007/JHEP02(2013)062. 
  2. ^ Borun D. Chowdhury, Andrea Puhm, "Decoherence and the fate of an infalling wave packet: Is Alice burning or fuzzing?", Phys. Rev. D 88, 063509 (2013) （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Astrophysics: Fire in the hole! 互联网档案馆的存档，存档日期2016-12-08.
  4. ^ 4.0 4.1 Mera;o, Zeeya. LIGO black hole echoes hint at general-relativity breakdown. Nature. 2016, 540. doi:10.1038/nature.2016.21135. （原始内容存档于2016-12-20）. 
  5. ^ Page, Don N. Information in black hole radiation. Phys. Rev. Lett. 1993, 71: 3743. Bibcode:1993PhRvL..71.3743P. arXiv:hep-th/9306083 可免费查阅. doi:10.1103/PhysRevLett.71.3743. （原始内容存档于2016-08-17）. 
  6. ^ Page, Don N. Average entropy of a subsystem. Phys. Rev. Lett. 1993, 71: 1291. Bibcode:1993PhRvL..71.1291P. arXiv:gr-qc/9305007 可免费查阅. doi:10.1103/PhysRevLett.71.1291. （原始内容存档于2016-08-17）. 
  7. ^ Ouellette, Jennifer. Black Hole Firewalls Confound Theoretical Physicists. Scientific American. 2012-12-21 [2013-10-29]. （原始内容存档于2013-11-09）.  Originally published 互联网档案馆的存档，存档日期2014-06-03. in Quanta, December 21, 2012.
  8. ^ Dennis Overbye（英语：Dennis Overbye）. A Black Hole Mystery Wrapped in a Firewall Paradox. New York Times. 2013-08-12 [2013-10-29]. （原始内容存档于2021-06-02）. 
  9. ^ The Firewall Paradox. New York Times. 2013-08-12 [2013-10-29]. （原始内容存档于2017-10-24）. 
  10. ^ S. Mathur (2009). "The information paradox: A pedagogical introduction," Class. Quantum Grav., Vol. 26 No. 22 (2009)
  11. ^ Steven G. Avery, Borun D. Chowdhury, Andrea Puhm, "Unitarity and fuzzball complementarity: 'Alice fuzzes but may not even know it!'", JHEP 09 (2013) 012
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