相对论和量子论融合的理想之地

　　黑洞如何运行？可以从＂黑洞陷阱＂说起，当探险者的一只脚＂一不小心＂踏进黑洞的视界，探险者的厄运由此开始。视界是黑洞引力拖动的边界，在黑洞的视界外，＂你还是你＂，在黑洞的视界内，＂你不是你＂，任何一个跌入黑洞视界的物体都逃脱不了巨大引力的拖动，探险者感觉不到任何死亡的威胁，好似在战争发起前出奇的片刻宁静，黑洞引力对探险者脚步的拖动大于对头部的拖动，探险者的身体被拉伸，好似厨师手中的意大利面条，跌入黑洞的探险者将被引力差撕得＂粉身碎骨＂。
　　黑洞引力在探险者的脚部和头部之间形成了＂剪刀差＂，引力差造成了剪力，探险者的身躯被撕裂成了细小的物质颗粒。以爱因斯坦的广义相对论为基础，物理学家描述了探险者走向＂黑洞刑场＂的悲壮情形。1915年，爱因斯坦将狭义相对论推广到了广义相对论，过去的几年，物理学家设想了探险者跌入黑洞时＂无处可逃＂的物理图景。
　　物理学家构想了＂思想实验＂方式，以化解两种物理学理论的相互冲突，上个世纪的70年代，英国物理学家霍金发出了＂物理学的危机＂感言。目前，物理学有两种主要的理论支柱——量子力学和广义相对论，极其不同的两种理论难以同时成为黑洞物理学依赖的真理。广义相对论适用于大质量天体的运行机理，量子力学应用在微小质量粒子的运行领域。物理学家以广义相对论为基础研究星系和星系团的运动，以量子力学为基础研究粒子加速器的原理，但极端物理条件的黑洞同时具备了两种特性，黑洞既是巨大质量的天体，也是微小体积的奇点粒子，广义相对论和量子力学出现了冲突，两种基本的物理理论难以同时应用于黑洞运行的领域。
　　一直以来，物理学家试图化解两种理论形态的冲突，假如物理学家解释了探险者跌入黑洞的死亡过程，那么探险者的死亡产生了重要的物理价值或探险者＂死得其所＂。有可能实现两种物理学体系的融合，将现代物理的两大支柱——量子力学和广义相对论融合成一个单一的理论框架。加州大学圣巴巴拉分校的理论物理学家乔·波尔辛斯基致力于将两种理论统一为一个体系，波尔辛斯基解释说，物理学家追求将宇宙中所有的力统一起来的最高目标是。晚年的爱因斯坦潜心构建＂统一场理论＂，但没有取得成功。
　　有一个黑洞信息悖论的棘手问题，涉及到黑洞与粒子的缠绕或黑洞的信息保留与丢失。量子力学定义了粒子的实体性，当某个粒子跌入黑洞视界时，粒子的命运好似探险者＂一不留神＂跌入了黑洞陷阱。物理学家设想了一个饶有兴趣的问题，粒子就像一对骰子，当其中的一个骰子滚动时，另一个骰子随之奇迹般地滚动，两个骰子停止滚动时，总是显示相同的数字，每一个粒子以相互缠绕方式关联了另一个粒子，物理学家将一对缠绕粒子的行为称为＂一夫一妻制＂。
　　依据广义相对论的推论，没有什么物体能够逃离黑洞的视界，黑洞在时间推移中变得越来越大，它们吞噬周围的大量物质。霍金在上个世纪的70年代指出，一切归于黑洞的奇异性，虚拟粒子不断地闪现，它们一会儿跳进真空，一会儿在相互湮灭中跳出真空。当某对粒子闪现在黑洞的视界附近，其中的一个粒子跌入了黑洞，另一个粒子则同时逃离了黑洞，逃离黑洞的一个粒子带走了黑洞的一点物质或能量，黑洞最终不能逃脱彻底蒸发的命运。
　　微观粒子对的量子力学效应被称之为＂霍金辐射＂，物理学家解释过霍金辐射理论的基本含义，粒子对的行为好像神奇的骰子，它们发生了奇异的关联，想象一下一对骰子总是显示相同的数字。粒子对一旦失去了一个伙伴，将会展现不同的形态，但按照广义相对论的推论，跌入黑洞视界的粒子不了解它的同伴粒子出现的任何变化，还是以为它和同伴的粒子存在奇异的关联，仍然保持＂一夫一妻制＂。
　　有一个黑洞防火墙的理论假设， 2012年，加州大学巴巴拉分校的研究人员提出了粒子对的＂一夫一妻制＂解决方案，假如黑洞视界外的粒子伙伴失去了量子缠绕的特性，跌入黑洞视界的一个粒子消失了，粒子对或两个粒子就完成了＂物理式离婚＂，但依然保持了量子力学的完美，仅在黑洞的视界构筑了一道＂防火墙＂，每一次与粒子对关联的破裂在都在防火墙激起了一点闪爆，防火墙阻隔了跌入黑洞视界和逃脱黑洞视界的粒子对的关联。
　　为了构筑黑洞视界的＂防火墙＂，物理学家不得不放弃黑洞的一个原初特性，当某位探险者跌入视界时感觉不到任何的变化，想象力丰富的物理学家将探险者的毫无感觉称为＂没有戏剧性＂。防火墙概念让很多物理学家感到困惑不解，多数物理学家认为，防火墙概念有助于解决量子力学微妙的问题。波尔辛斯基认为，物理学家可能没有找到最终的答案，人们思考了一些问题的解决方式，但不知道为什么要这样思考。
　　普林斯顿大学和斯坦福大学的两位物理学家设想了一种物理学的解决方案，假定在黑洞的视界外出现了两个伙伴粒子——老的粒子在黑洞视界内，新的粒子在黑洞视界外，它们可能是同一种性质的粒子，假如被黑洞吞噬的老的粒子遇到了黑洞内的虫洞，它被允许从虫洞的另一端跳出来，而黑洞外的新粒子不知道被黑洞吞噬的老的粒子发生了任何变化，除非在宇宙的另外一个地方重新建立它们的关联。
　　虫洞理论似乎给出了十分清晰的解决方案，加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·勃索解释说，好像观看一个＂替身人＂出演的影片，观众看到某角色出现在这个场景，同时看到某角色出现在那个场景，两个场景的角色人物实际上是同一个人出演的。粒子跳跃可能难以实现，而＂替身人＂的解决方案似乎和量子力学的概念产生了冲突，虫洞理论的解决方案并不比另一种解决方案更有希望。
　　高度浓缩的黑洞＂奇点＂可能仅是一种理论构想，一个真实的超大质量黑洞能否形成一个无体积的＂奇点＂？躲藏在银河系中心的超大质量黑洞和其它星系中心的黑洞能否浓缩为一个＂奇点＂？量子化的黑洞奇点离不开稳定而孤立的物理条件，奇点的量子力学特征使得它保持了比宇宙本身更长的时间。没有机会检验黑洞的＂死亡假说＂，加拿大阿尔伯特大学的物理学家顿佩奇曾和霍金开展了有关黑洞的合作研究，他认为＂思想实验＂是新奇的物理创意，没有人能活到检验新奇想法的年龄，探险者跌入黑洞视界的＂思想实验＂是一个疯狂的主意。
　　（编译：2015-4-28）
　　网页链接