我们能否解决黑洞信息悖论？答案或许是肯定的。在这一过程中，我们对黑洞和自然的认识将会发生实质性的改变，进入到更加微观的层次。
撰文 | 野村泰纪（Yasunori Nomura）
翻译 | 赵剑琳
作为宇宙中最特别的一种天体，黑洞蕴含着一个物理学家尚未解决的悖论。目前，两个主流的物理学理论在解释黑洞如何运作时，产生了完全不同甚至矛盾的结果。
包括我在内的很多科学家尝试去调和这些观点，不仅是为了增进对黑洞的了解，更是想要去回答一些更加深刻的问题，例如"时空是什么"。
虽然我们在过去的时间里已经取得了一部分成果，但问题并没有得到解决。不过，我在过去几年建立了一个理论框架，我相信它可以很好地解决这个问题，让我们在最基本的层面上理解时空的奥秘。
我们面对的问题是：根据广义相对论的观点，当天体的密度过高，在引力作用下物质向中心坍塌，并形成了黑洞。黑洞生成时，由于其区域内的引力极强，任何物体——甚至是光线——都无法从中逃离。从原理上讲，我们无法从黑洞外面观测其内部，而黑洞被称为"事件视界"的边缘就好像是一个单向薄膜：物质无法从黑洞内部向外部逃逸，但却能从黑洞外部很容易地进入其内部。
但当我们利用解释基本粒子运动的量子力学效应考虑这一问题时，会得到不同的答案。1974年，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出了著名的霍金辐射。他发现如果我们考虑黑洞的量子力学效应，它实际上在非常缓慢地释放辐射。而这会导致黑洞不断损失质量，并最终消亡。如今，这一结论已经得到了多种方法的验证，它的正确性已经毋庸置疑。
不过，一个奇怪的地方在于，在霍金的计算中，黑洞释放的辐射与它的形成方式无关。这意味着两个通过不同的初始态形成的黑洞，最终以同样的方式释放辐射。
而这毫无疑问是一个问题。现代物理学建立在这样的假设上：如果我们对于一个体系具有充分的认知，我们就能解出其运动方程，从而预言它的未来、推断它的过去。而霍金给出的结论意味着这一基本原则是错误的。很多科学家认为这个问题已经在1997年得到了解决，当时胡安·马尔达西纳（Juan Maldacena）提出了一种新方法来解释这一问题，似乎能证明黑洞并没有损失信息，但他并没有真正解决这个问题。
2012年，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的艾哈迈德·阿尔姆海里（Ahmed Almheiri）和同事们在一篇影响力很大的论文中提供了一项有力论据，证明如果黑洞在霍金辐射过程中不存在信息丢失，那它与事件视界的"平滑"就会产生矛盾。他们在论文中提出，事物可以不受干扰地通过事件视界。当不考虑信息丢失时，他们认为黑洞的事件视界事实上并不是一个单向薄膜，而是类似于某种坚固的墙，他们称之为"火墙"。
这让理论物理学家十分困惑，虽然他们不愿意认同信息丢失，但同样也无法接受这个火墙理论。其他暂且不论，火墙理论暗示爱因斯坦的广义相对论存在问题，至少在解释黑洞事件视界时是错的。
实际上，这个理论是完全违背直觉的。对于大质量黑洞，事件视界处的引力确实很弱，这是因为它距离物质汇聚的黑洞中心太远。因此，事件视界附近的区域看起来就像是完全的真空，但火墙理论认为，空间在黑洞的"事件视界"上会突然"终结"。
我的新工作的重点是，一个黑洞存在着多个层次的描述。黑洞信息的留存和事件视界的平滑对应的是不同层次的理论。在一个层次上，我们能从远距离描述一个黑洞：黑洞形成于物质坍塌，最终会蒸发消亡，在太空中留下霍金辐射的量子。从这个视角来看，马尔达西纳的观点十分恰当，而这一过程中黑洞并没有丢失信息。因为在这一场景中，一个落向黑洞的事物永远不会进入事件视界，这不是由于火墙的存在，而是因为落入黑洞的事物和远方的观测者之间存在时间滞后。事物看起来好像正"缓慢地"被事件视界吸入，随后它的信息会通过霍金辐射中粒子之间的微妙联系，返回到太空中。
在另一方面，如果我们从一个正落入黑洞的人的角度来观察整个体系，就能看到黑洞内部的情况。不过我们必须忽视这一观测体系中某些细节，例如，正下落的观测者可能在转瞬之间就落入黑洞中心的奇点，来不及看到任何东西。理论上，在这一过程中，他们能够获取的信息是极其有限的。因此，下落的观测者感知到的世界，是非常"粗略"的。而在这种情况下，并不需要保存信息，因为我们为了达到这一观察视角，早已丢弃了一些信息。
这也就是黑洞内部的时空与信息留存的相容方式：它们对黑洞性质的描述处于不同的层次上！
为了更好地理解这一概念，我们可以利用这样的类比。想象一个装满水的罐子，一种理论能描述它表面的水波。在最基本的层级上，水是大......
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