黑洞火墙的「火」是什么样的火？ 第1页

光阴似箭，日月如梭，一转眼老鼠掉进黑洞已经一年了。

一天，猫又来到了黑洞旁边。它知道，在它的时间线上，老鼠还没有真正掉进黑洞视界（Mandelbrot：黑洞真的是吞噬了物体吗？）。它还在想，老鼠到底会安然无恙地穿过黑洞视界，还是会在视界化为灰烬（Mandelbrot：如何理解「我们的宇宙有可能是遥远宇宙的全息投影」？）。这时，猫意外地发现，上次遇到的那位老者也在太空中负手而立，眺望那个有去无回的深渊。

猫上前搭讪：“老先生，上次你说黑洞视界表面充斥着很高的能量，是真实的吗？”

老者认出了猫，回答说：“那有什么理论是绝对真实的？我们只是在用各种理论尽量接近真实。对于黑洞来说，这些理论要说接近真实都比较勉强。任重而道远啊。”

看见猫在发呆，老者又说：“不过这里面还有很多细节。如果你有兴趣的话，我们可以慢慢谈。” 猫连忙点点头。

1. 广义相对论

“你该知道黑洞理论起源于广义相对论吧？”老者问道。

“知道一点。大概就是说，物质被压缩到那个史瓦西半径以内。它的巨大引力造成附近时空的极度扭曲，结果，连光都跑不出来。”猫绞尽脑汁，结结巴巴的挤出几句话。

“差不多是这么回事。那么老鼠掉进黑洞的过程实际上是一个自由落体的过程。它不会感觉到黑洞引力对它有任何影响。即使在它穿过视界的时候，也不会发生什么戏剧性的事件。我们把这个假设叫做No Drama。”老者用尽量简单的语言开始讲述。

听到熟悉的内容，猫激动地直点头：“对对，这个我知道。”

2. 霍金辐射

看见猫居然听得懂，老者谈兴大发，兴致勃勃的接着说：“后来，霍金，就是你上次遇到那个老头，用量子力学的原理来研究黑洞，意外地发现，原先我们以为一毛不拔的黑洞其实会通过蒸发损失质量。我们把这个理论叫做霍金辐射。”

老者掏出一块小黑板，开始画图。

“真空中总是在不停地产生正负粒子对，然后它们又很快互相湮灭，回归真空。这本来无伤大雅，但是如果它发生在黑洞视界附近，问题就出现了。”

猫被勾起了好奇心：“什么问题？”

“黑洞强大的引力能够撕裂这个这个粒子对。结果，一个带着正能量的粒子挣脱了引力，逃离了黑洞。而另一个带着负能量的粒子却掉进了黑洞。这样，黑洞不断吸收负能量粒子，质量不断减小。质量小到一定程度的时候，它就会在一场爆炸中烟消云散。”老者尽力选择最简单的语言解释了霍金辐射和黑洞蒸发理论。

猫觉得学到了新知识。它兴奋的说：“这么说，黑洞也不是永恒的了？天文学家观察到黑洞的末日了吗？”

老者笑了笑说：“黑洞的寿命很长，长到几乎失去了意义（Mandelbrot：宇宙中有哪些细思极恐之事？）。等所有的恒星都熄灭，我们也等不到黑洞爆炸。”

3. 量子纠缠

“不过，还是回到正题上来吧。” 老者接着说：“你看，这两个粒子来自同一个粒子对。它们有相反的状态，比如动量、自旋什么的。但是，如果你没有观察它们，它们的状态是不确定的。比如，任何一个粒子都同时具有向上和向下的自旋方向。也就是说，它们处于一种叠加态。”

看着猫迷惑的目光，老者决定再解释两句：“如果你观察其中一个粒子，它会马上从两种状态中选择一个。比如，你会发现它的自旋方向是向上或者向下的。”

听到这里，猫突然想起了什么，愤愤不平地说：“叠加态这个词儿我听说过。一个叫薛定谔的家伙为了验证这个理论，弄得我一个兄弟至今生死不知。”

老者并不打算回顾历史问题：“让人惊奇的事情还在后面呢？由于两个粒子具有相反的状态，所以这时候你也就知道了另一个粒子的状态。看起来好像这个粒子在被观察的瞬间，把自己的选择告诉了它的同伴。即使它们相隔千山万水，信息也能瞬间到达。我们把这种奇特的现象叫做量子纠缠。”

猫大吃一惊，说：“怎么可能？难道这种信息传送的速度超过了光速？这不符合相对论吧？”

“看起来是这样。不过量子纠缠的原理目前没有人知道。” 老者想了想，底气不太足地说：“也许相互纠缠的的粒子之间有一条微型虫洞，可以在瞬间传递信息。”

4. 黑洞火墙

猫没有兴趣深究这种玄之又玄的问题，它问道：“好吧，可这给黑洞理论带来什么问题呢？”

老者抖擞精神，在黑板上画了另外一个例子。

“比如，米奇和米妮是诞生于黑洞视界的一个正负粒子对；而唐纳和黛西是诞生于视界的另一个粒子对。它们都是相互纠缠的。”猫点点头，表示理解。

“在离开黑洞之后，米奇不可避免地会和其他逃离黑洞的粒子发生纠缠，比如，上图中的黛西。问题就出来了：量子纠缠是一种一对一的关系。米奇不可能同时和两个粒子发生纠缠。在和黛西发展超友谊关系以前，它必须和米妮分手。”

猫若有所思的说：“这么说，量子纠缠就像那种传统的恋爱关系，容不下第三者。”

老者促狭的一笑：“是啊。我发现最近你和邻居家的大白猫打得火热。你敢不敢同时去勾搭一下街对面的波斯猫？”

想想大白猫揪住自己的尾巴在地上乱砸的恐怖情景，猫连忙大摇其头。为了转换话题，猫问道：“分手就分手呗，这对粒子来说不是什么问题吧？”

“问题大了。量子纠缠需要很高的能量才能打破的。这就意味，黑洞视界表面实际上充斥强大的能量，大到足以打破量子纠缠，让米奇肆无忌惮地去寻找新的伴侣。”

猫想了想，问道：“这么说，黑洞视界实际上是一道高能量的火墙了？”

老者点点头：“我们确实把它叫做黑洞火墙。”

猫总觉得这个理论有问题。想了半天，它问道：“天下没有 免费的午餐。这个庞大的火墙需要的能量一定不少吧？这些能量从哪里来？”

“这是个好问题。”老者赞许地说，“你可以这样理解，能量来自黑洞蒸发损失的质量。”

老者又在黑板上画了一张图。

“从我们的角度来看，通过霍金辐射逃出黑洞的粒子，能量非常低。这也是黑洞长寿的秘诀。但是不要忘了，这些粒子都是从黑洞强大的引力场中爬出来的。引力场对粒子的能量也有红移效果（Mandelbrot：黑洞真的是吞噬了物体吗？），所以，从黑洞外观察到的粒子和它刚诞生时并不一样。”

猫好奇的问：“那么粒子刚诞生的时候是什么样子呢？”

老者回答道：“要回答这个问题，我们只需要让时钟倒转，让时间回到粒子刚诞生的时刻。”

猫插嘴说：“这个方法是不是和我们研究宇宙大爆炸的方法一样？”

老者心想：“这个傻猫知道的事情还真不少。”

他点点头，说：“不错。如果让时钟倒转，我们会看到粒子向黑洞视界坠落，它的能量越来越高。不难看出，粒子从黑洞视界产生的时候，它携带了很高的能量。这应该就是黑洞火墙能量的来源了。”

5. 问题

擦掉黑板上的图，老者问道：“我讲了这么多，你看出其中的问题了吗？”

猫想了半天，结结巴巴地说：“看起来好像广义相对论和量子力学有冲突。”

老者微笑着说：“不错，这就是问题的关键。广义相对论认为黑洞视界和别的空间位置并没有什么区别，它只是一个逃逸速度恰好等于光速的表面，所以老鼠可以毫发无伤的掉进去。而量子力学认为黑洞视界有一个高能量的火墙，它会把老鼠烧成灰烬。”

猫觉得世界观收到了冲击——原来万能的科学也有不能解决的问题。它张大嘴，发了半天呆，最后傻乎乎的问：“那怎么办？”

老者并不在乎：“没什么大不了的。也许我们需要放弃其中一个了理论了，或者我们需要放弃两个，而去寻找一种新的理论来完美地解释黑洞。这不就是我们的工作吗？不过，目前能够调和这个矛盾的理论还没有出现。”

老者沉思了片刻，说：“我有时候在想，也许广义相对论和量子力学都是对的。它们从不同的角度描述了同一个现象。猫安然无恙的穿越黑洞和猫被火墙化为灰烬都是真实的。”

猫撇撇嘴，想：“这些物理学家还真是敢想。这不是胡说八道吗？”

思来想去，它觉得还是在无法接受这个想法，于是状着胆子表示反对：“这，这好像有点自相矛盾吧？”

老者摇摇头，满不在乎地说：“无妨。只要老鼠不能回到我们身边，和我们交流它在黑洞里面的经历，不就没有矛盾了？”

猫突然发现自己竟然无言以对，不过它转念一想，这种观点好像也有可取之处——也许和大白猫谈恋爱与勾搭波斯猫都是自己的叠加态呢？想到这里，它就哼着小曲，喜滋滋的回家去了。