悖论照亮了黑洞

黑洞研究所介绍

恰好，黑洞倡议(BHI)是在卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)解出爱因斯坦广义相对论方程100年后成立的，这个方程在第一个天文学证据证明黑洞存在的几十年前就描述了黑洞。作为一种奇异的时空结构，黑洞持续吸引着天文学家、物理学家、数学家、哲学家和普通大众，对其神秘的本质进行了一个世纪的研究。

BHI的使命是跨学科的，为此，我们赞助了许多活动，为不同学科的研究人员之间的互动创造环境。哲学家与数学家、物理学家、天文学家交谈，理论家与观察者交谈，一系列预定的活动为人们定期聚会创造了场所。

举个例子，对于我们关心的一个问题，考虑一下黑洞中心的奇点，它标志着爱因斯坦引力理论的崩溃。在量子力学的背景下奇点是什么样的?最有可能的情况是，它会出现在一个极小的体积内，是一个巨大质量(天体物理黑洞的质量比几个太阳质量还要大)的极端集中。吸干落入天体物理黑洞的所有物质的蓄水池的大小是未知的，这也是BHI学者工作中尚未解决的问题之一。

我们很高兴地展示一系列论文，这些论文被我们的高级学院仔细选择了许多申请到Bhi的第一篇论文竞赛。获奖论文将在这里发表鹦鹉螺在接下来的五个星期里，从第五名开始，一直到第一名。我们希望你们会像我们一样喜欢它们。

-abraham（AVI）LOEB
Frank B. Baird, Jr.哈佛大学科学教授
赫瓦德天文部门椅子
黑洞倡议（BHI）创始总监（BHI）

T他走上了，下行的方式是一个，同样的方式，“圣人说。

悖论有一种折磨思想的方式。它阐明了我们从经验中理解的概念的不一致和不足之处。它对我们的理解框架和理解本身都产生了怀疑。无论建立什么样的思想之塔，都是为了试图超越它的矛盾而摇摇欲坠，并伴随着轻微的扰动而倒塌。然而，只要我们运用得足够熟练，它也可以成为一种顿悟的工具。哲学家赫拉克利特(Heraclitus)明白这一点，尽管他对悖论的喜爱为他赢得了“默默无闻”的称号。今天，物理学家们也必须接受悖论，以便对黑洞的本质有更深入的了解。

对于Heraclitus来说，思想的困难是我们处理世界的方式所固有的。我们的外部体验性质不会直接处理，而是通过发展和随着时间的推移来互相过滤，相互过滤。如果我们不小心，那么我们用来了解大自然的概念和类别的混乱变得与大自然本身混淆。我们开发充当镜头的模型和理论，告诉我们世界看起来像什么。然而，有时，我们不同的模型之间存在紧张，我们的不同概念，这是世界的结果不适合我们创建的网络。所以它与悖论。悖论挫败了我们，因为它的外观 - 我们如何理解矛盾的东西 - 取决于我们使用的镜头。在思考中，我们引入了无关紧要的区别，并且悖论削减了它们。

赫拉克利特说:“在圆圈中，开始和结束是常见的。”

物理学中的情况并不少于物理学在物理学中比在对黑洞的研究中更明显。黑洞占据了现代物理的特权，因为它处于核心，黑洞的奇点，我们预期我们最成功的两种物理模型（那些云，黑镜头）。一般相对论描述了一个框架，其中“Spacetime讲述了如何移动;物质告诉Spacetime如何曲线，“作为物理学家John Wheeler的着名和简洁解释。该理论的方程在自然界中是几何，从数学领域借用，研究了抽象数学对象的各种形状。它在形状和曲率方面解释了重力的现象，并将时空作为物体弯曲，并且弯曲并响应于在其内部移动的群体而弯曲。空间和时间不再是行动发生的阶段，而是在自己的权利上阶段的玩家。

量子理论，这些框架中的第二个，是完全不同的野兽。它描述了粒子和光在最小尺度上的行为，经常使用令人困惑的术语。但是，这种困惑大多来自于我们自己错综复杂的思想网络，是我们为了理解日常经验的经典世界而发展和训练出来的。在任何量子理论中，物体(如粒子)都有一个给定的量子态，这个量子态通过一系列连续的状态以规定的方式在时间中演化。但是这些状态的性质很奇怪。纠缠可能是所有量子属性中最基本的一种，它使这里的量子物体和那里的量子物体之间产生了奇怪的关联，不管“这里”和“那里”相距多远(这种性质如此怪异，以至于爱因斯坦认为它是“幽灵般的远距离作用”)。如果仔细观察，时空就会充满虚粒子，这些虚粒子时而出现，时而消失，把真空变成了不断变化的量子泡沫。然而，尽管世界上存在着量子的奇异性，该理论充分地预测了粒子的行为，达到了令人震惊的程度。

赫拉克利特说:“事物只有在变化中才能得到休息。”

黑洞占据着每一种理论的边界和两者之间的位置。在这里，我们的理论崩溃了。有问题的第一个迹象来自广义相对论的方程。描述时空曲率的方程犯了数学的大罪——在这个过程中被零除出了荒谬的无穷大。就好像时空的结构实际上被奇点的存在所造成的巨大压力刺穿了，而我们的方程却无法描述奇点。在其他出现类似问题的经典理论中，量子理论起到了拯救作用。20世纪上半叶，物理学的大部分工作都是在“量子化”经典理论中完成的:通过用量子术语描述物体来消除这些无意义的描述。但当广义相对论尝试同样的过程，试图写下量子引力理论时，概念问题出现得比数学问题早得多。时空怎么能被描述成一个随时间演化的量子态呢是时间？

一个在一个镜头下看起来像量子理论的理论，可能在另一个镜头下看起来像万有引力理论。

在这种理论之间的阴暗地带，悖论是前进的道路。赫拉克利特的天才在于他能够利用悖论作为一种工具来描述语言无法描述的真理。在物理学中，黑洞信息悖论是走出黑洞模棱两可沼泽的向导。这个悖论抓住了量子理论和广义相对论之间的根本冲突。它指出，如果黑洞的行为符合广义相对论的要求，那么坠入黑洞的物体就不能符合量子理论的要求。相反，如果落入黑洞的量子物体的行为符合预期，那么黑洞的几何描述肯定是错误的。无论我们推崇哪一种理论，另一种都必须抛弃。

这个悖论源于两个事实。一个是量子系统以一种“单一”的方式进化，也就是说，给定一个系统在某个时间的量子态，其他时间的量子态可以被唯一确定。据说有关该州的信息被保存了下来。第二个是黑洞会蒸发，根据广义相对论，它们会带走坠入黑洞的信息。对于一个时空的观察者来说，在黑洞蒸发之后，关于初始量子系统的可用信息是不完整的。他们不再能确定初始状态，似乎量子信息已经被破坏了。

在解决这一悖论的过程中，研究人员开始找到他们的立足点。在寻找解决方案的过程中，物理学家注意到量子理论和重力固有的几何学之间的联系，通过提供量子力学和几何学之间的二元性来缓解这一悖论。一个在一个镜头下看起来像量子理论的理论，可能在另一个镜头下看起来像万有引力理论。这就是全息原理(它不像已经被暗示的那样，提出宇宙是这样的实际上科幻小说中出现的各种全息图)。两种观点之间的词典已经开始发展，研究人员已经能够用一种理论的某些方面来理解另一种理论。这条探索线的终点是一个被称为ER=EPR(代表爱因斯坦-罗克森桥=爱因斯坦-波多斯基-罗克森对，纠缠的物体对)的猜想。这个想法是由Juan Maldacena和Leonard Susskind提出的，他们推测两个纠缠的量子系统的行为可以用两个由微虫洞连接的分离系统来描述。在一个镜头里看起来像量子奇异的东西在另一个镜头里却是奇怪的几何形状。

真正的赫拉克利特式的对悖论的拥抱将会更进一步，并认识到我们的理论区别于不同类型的理论是非物质的。我们将一些物体描述为“量子”，而将一些物体描述为“几何”，这是处理我们经验的令人烦恼的概念网的结果。在赫拉克利特看来，一些属性被标记为量子，一些被标记为几何，这些属性的排序是人为的。我们对这些区别的依赖注定了我们要“透过玻璃，黑暗地”看待自然。但是，在矛盾的武装下，不断地推动和探索我们概念的极限，我们有可能获得片刻的清晰。赫拉克利特会说，即使在奇点，引力和量子力学之间也没有冲突，因为引力和量子力学是一样的。纠缠是几何。

往上走就是往下走。

确保，这一刻清晰的充分性截止了。ER = epr猜想仍然是猜想，并且可能会继续这样做，以便立即进行。黑洞研究的其他路径存在于悖论的解决方案，避免了ER = EPR所建议的统一。清楚的是，物理学家必须拥抱，往往不舒服，悖论在理解自然中的作用。这种矛盾的舒适度很少很容易，最终的清晰度绝不是保证。也许它应该是这样的。

“隐藏的和谐比显而易见的要好，”赫拉克利特说。

加布里埃尔·林奇(Gabriel Lynch)是芝加哥大学(University of Chicago)的应届毕业生，他在那里学习物理学，并从事黑洞和量子信息的研究。他住在芝加哥附近。

这篇文章在黑洞研究所的作文比赛中获得了第三名。

更多的阅读

纠缠黑洞的冷视界。Fortschritte der物理学61（2013）。从DOI检索：10.1002 / PROP.201300020。

瓦尔德,智慧化广义相对论芝加哥大学出版社(2009)。

Wheelwright，P.E.赫拉克利特牛津大学出版社(1959)。