科學人 發行日期:2015/04 刊號:158
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黑洞火牆

撰文/普金斯基(Joseph Polchinski) 翻譯/高涌泉

 
黑洞周圍可能有一堵高能量粒子構成的「火牆」,讓廣義相對論與量子力學都傷透腦筋。

重點提要
■霍金提出黑洞會釋出粒子,顯示科學家對於物理學的了解還不足。這些逃離的粒子似乎意味著資訊在黑洞內被摧毀了,但這是量子力學所禁止的。
■有人試圖用弦論來解決資訊弔詭,初步獲得很好的結果。但是最新的研究顯示,黑洞被一堵稱為「火牆」的高能量粒子所圍繞,比過去的理解還要更奇怪。
■有些人認為,這樣的火牆可能意味著空間終結於事件視界。解決火牆所引發的這些弔詭,或許可以引導我們找到量子力學與廣義相對論的結合之道。


掉進黑洞從來就不是有趣的事。在物理學家提出了黑洞的相關理論後,人們知道只要太靠近黑洞,死亡便是唯一下場。但是過去我們認為,正在穿越不歸點(亦即事件視界)的太空人不會察覺到任何特殊之處。根據廣義相對論,我們不可能在事件視界立下「只要通過此處,就無法回頭」的標誌,因為任何人通過事件視界時,只覺得掉進黑暗之中而已。

不過最近我和三位同事重新檢視這樣的看法,依據的是對於黑洞的量子力學效應的一些新研究。我們發現墜入黑洞的太空人所遭遇的情況會與愛因斯坦的預測大不相同,太空人將不會平順落向黑洞內部,反而會在事件視界碰上一堵高能量粒子的「火牆」(firewall),立即身亡。這堵牆甚至可能意味著空間的終結。

爭議再起

三年前,我們四人都在美國加州大學聖巴巴拉分校進行研究,同事馬若夫(Donald Marolf)、當時還是研究生的阿姆黑利(Ahmed Almheiri)以及蘇利(James Sully)、我;以四人姓氏的第一個字母依序排列AMPS做為團隊名稱。我們利用弦論的想法仔細研究了黑洞的物理學,尤其是再次檢驗霍金(Stephen Hawking)於1970年代所提出的有趣論證,而得到上述的結論。

霍金發現在黑洞這種極端的環境下,量子論(quantum theory)的預測與廣義相對論的預測有很深刻的矛盾。根據霍金的推論,若不是量子力學有問題就是愛因斯坦的時空觀出錯。自那時起,誰對誰錯的爭辯沒有明確的贏家,而是輪流佔上風。

和霍金的論證一樣,我們最近關於火牆的提議也引起質疑聲浪,不過截至目前為止,也還沒出現令人信服的反駁。如果我們相信量子力學,則火牆是必然的結果,但它的存在會帶來理論上的困惑,目前的情況是物理學家似乎必須放棄某項廣受接納的信念,不過究竟要拋棄哪一項,大家還沒有共識。我們期盼在困惑澄清之後,能夠對於量子力學與廣義相對論有更完備的了解,而且找到一個辦法來解決這兩個主要理論之間明顯的矛盾。

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