相对论和量子论的“爱情长跑”未成正果|黑洞|粒子|物理学家

　　黑洞是如何运行？从黑洞陷阱的构想说起，当一只脚“一不小心”踏进了黑洞视界，某人的厄运开始了。视界是黑洞引力拖动的边界面，在黑洞视界外“你还是你”，在黑洞的视界内“你不是你”。一个跌入黑洞视界的物体逃离不了黑洞的引力拖动，某人感觉不到任何的死亡威胁，好像在战争发起前出奇的片刻宁静。黑洞引力对某人脚的拉动大于对头的拉动，身体的拉伸好像厨师手上的意大利面条，某人将被黑洞引力撕扯得“粉身碎骨”。黑洞引力在某人的脚和头之间形成“剪刀差”，引力差形成的剪力将某人的身躯撕扯成物质粒子。物理学家以爱因斯坦的广义相对论为依据描述了某人走向“黑洞刑场”的情形。1915年，爱因斯坦将狭义相对论推广到广义相对论。过去几年，物理学家构想了某人跌入黑洞时“无处可逃”的图景。

　　通过“思想实验”的方式，物理学家尝试化解物理学理论的相互冲突，物理学家霍金在上个世纪的70年代指出了“物理学的危机”。目前的物理学存在两种主要的理论支柱——量子力学和广义相对论，极为不同的两种理论难以同时成为黑洞物理学的真理。广义相对论应用于大质量的天体运行领域，量子力学应用于微小质量的粒子运行领域。物理学家或者以广义相对论研究星系和星系团的运动，或者以量子力学研究粒子加速器，但是，极端条件的黑洞同时具备两种特性，它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的冲突在于两种基本的理论难以同时应用于黑洞的运行。

　　霍金指出，一直以来，物理学家尝试化解两种形态物理学理论的冲突，假如物理学家解答了某人跌入黑洞之后的死亡过程，某人的死亡由于产生了物理价值而“死得其所”，物理学家更有可能将两种物理学体系融合起来、或将两大支柱的量子力学和广义相对论融合成单一的理论框架。加州大学圣巴巴拉分校的理论物理学家乔·波尔辛斯基一直致力于将两种理论统一成单一的体系，他解释说物理学家追求的最高目标是将宇宙所有的力统一起来。然而，晚年的爱因斯坦在“统一场理论”的构建上未获成功。

　　存在黑洞的信息悖论问题，另一个涉及黑洞与粒子缠绕的问题是黑洞信息的保留与丢失。量子力学定义了粒子的实体性，当某个粒子跌入黑洞的视界，它的命运好像某人“一不留神”地掉进黑洞的陷阱。物理学家颇有兴趣地设想，粒子好像一对骰子，当其中的一个骰子滚动时，另一个骰子奇迹般地随之滚动，两个骰子显示的数字总是相等。每一个粒子以相互缠绕的方式关联另一个粒子，物理学家将这对粒子的缠绕行为称之为“一夫一妻制”。

　　根据广义相对论的解释，没有什么物体逃离了黑洞视界，黑洞随时间的推移变得越来越大，它们吞噬了周围的大量物质。霍金在上个世纪的70年代指出，一切归功于黑洞的奇异特性，虚拟粒子不断地“闪现”，它们一会儿跳进真空，一会儿以相互湮灭的方式跳出真空。当某一粒子对在黑洞视界的附近形成时，其中的一个粒子跌入黑洞，另外一个粒子同时逃离了黑洞，逃离黑洞的一个粒子带走了黑洞的一点物质或能量，最终，黑洞难以逃脱彻底蒸发的命运。微观粒子对的量子力学效应被称为“霍金辐射”，物理学家最近解释了霍金辐射巨大的理论含义，粒子对好像神奇的骰子，它们存在奇异的关联，骰子显示的数字总是相等。一旦粒子对失去了一个伙伴，它将出现新的形态，但是，按照广义相对论的解释，跌入黑洞视界的粒子不知道同伴粒子出现了任何改变，仍然认为它和同伴存在“同心同德”的关联，保持“一夫一妻制”的体系。

　　存在黑洞防火墙的观点， 2012年，加州大学巴巴拉分校的科研人员提出了粒子对“一夫一妻制”问题的解决方案，假如黑洞外的粒子伙伴失去了量子缠绕特性，跌入黑洞视界的一个粒子消失了，粒子对、或两个粒子完成了“物理式离婚”，依然保持了量子力学的完美，仅在黑洞视界建立了一道”防火墙”，每一次粒子对关联的破裂在防火墙激起了一点爆发，防火墙阻断了跌入视界和逃脱视界粒子对的关联。物理学家为了建立视界“防火墙”不得不放弃黑洞的一个原初特性，当某位观察者跌入视界时感觉不到任何变化。想象力丰富的物理学家将这一原理描述为“没有戏剧性”。防火墙概念让很多物理学家困惑不解，多数物理学家相信，防火墙概念有利于解决量子力学的微妙问题。波尔辛斯基认为可能没有找到最终的答案，人们对一些思考的问题甚至不知道为什么这样思考。

　　存在虫洞的观点，普林斯顿大学和斯坦福大学的两位物理学家提出了另外一种物理学的解决方案。假定在黑洞视界外存在两个粒子伙伴——老的粒子在黑洞视界内，新的粒子在黑洞视界外，它们是否是同一种性质的粒子？假如被黑洞吞噬的老粒子遇到黑洞内的虫洞，它被允许从虫洞的另一端跳出来，想象一下，黑洞外的新粒子不知被黑洞吞噬的老粒子发生了任何变化，除非在宇宙的另外一个不同地方重新建立它们的关联。虫洞理论给出了似乎清晰的解决方案，加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·勃索解释说，好像看一个“替身人”的影片，观众看到某人出现在这个场景，同时看到某人出现在那个场景，两个场景的人实际上是同一个人。粒子跳跃也许难以实现，“替身人”的解决方案似乎和量子力学产生了冲突，这种解决冲突的方案不比另一种更有希望。

　　高度浓缩性的黑洞“奇点”可能仅是理论的构想，一个真实的超大质量黑洞是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是否存在一个“奇点”？量子化的黑洞奇点离不开稳定、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自身更长的时间年龄，谁有机会检验黑洞的“死亡假说”？加拿大阿尔伯特大学的物理学家顿佩奇曾经和霍金共同开展黑洞研究，他认为物理学家设想的“思想实验”是一种新的物理创意，没有人活到能够检验这种新奇想法的时间年龄，那种设想某人跌入黑洞视界的“思想实验”多少有些疯狂。