物理學上充滿了悖論（有時稱佯謬），這些悖論總是與我們對大自然本質(zhì)的理解，什么時空啊、因果關(guān)系啊等等聯(lián)系在一起，構(gòu)成了獨具魅力的一道風景線。

悖論歷來還是物理學革命的發(fā)祥地。譬如說，愛因斯坦的狹義相對論就源于19世紀末的以太悖論。按照經(jīng)典力學，以太充滿空間，無處不在，所有物體都相對以太運動，以太自己則絕對靜止。地球相對以太運動，卻沒有因以太的阻力而變慢，這說明以太非常稀薄，非?！叭犴g”；與此同時，光需要借助以太傳播，光速這么快，又分明需要以太非常致密，質(zhì)料非常“堅硬”。以太的兩種性質(zhì)是難以調(diào)和的，再加上其他實驗上的一系列矛盾，最終導致愛因斯坦放棄以太，建立了一套全新的時空觀。

既然物理學悖論如此重要，本文就承接上篇文章，來詳細談談與霍金有關(guān)的黑洞信息悖論和火墻悖論。

根據(jù)“霍金輻射”，隨著黑洞蒸發(fā)殆盡，黑洞所包含的信息就被毀掉了。然而，這與量子力學的一項核心原則相沖突，這項原則說：宇宙中的信息是不可摧毀的——這就是黑洞的信息悖論。

這個悖論里雖然沒出現(xiàn)新的貓啊、妖啊，但也夠揪人心的。因為它涉及現(xiàn)代物理學的兩位“大佬”——廣義相對論和量子力學，而發(fā)生地點又在在宇宙中最怪異的天體——黑洞上。

初初一看，黑洞的信息悖論好像與廣義相對論不相干，完全是量子力學自家“兄弟鬩于墻”：因為矛盾的一方霍金輻射是量子效應，而矛盾的另一方“信息不可摧毀”也來自量子力學自身的要求。

其實不然。這個悖論的焦點不在于有沒有霍金輻射，而在于霍金輻射是不是雜亂無章。只要承認霍金輻射不是雜亂無章的，那么它就可以攜帶信息，即使黑洞蒸發(fā)了，也不會造成信息丟失。而“霍金輻射是雜亂無章的”這個結(jié)論是基于廣義相對論計算得出的。所以說到底，黑洞信息悖論還是廣義相對論和量子力學沖突的結(jié)果。

面對這一悖論，物理學家分成了兩個陣營：一派以霍金為代表，認為在黑洞蒸發(fā)殆盡時信息真的會消失，如果說這與量子力學矛盾，則需另建更好的量子理論。另一派以霍金的好友、量子物理學家約翰·普利什基爾為代表，他們堅持站在量子力學這一方，認定信息不會丟失，廣義相對論必定在什么地方錯了。普利什基爾甚至為“黑洞的信息會不會毀掉”跟霍金打賭。

這是1974年的事，估計那個時候大多數(shù)讀者還沒出生呢。但到2004年，霍金向普利什基爾認輸了，并兌現(xiàn)了賭注，送給他一本棒球百科全書。普利什基爾曾將棒球比喻成一個黑洞，因為它們都很重，從中獲取信息都要頗費一番功夫。

說服霍金繳械的是阿根廷物理學家胡安·馬爾達薩納的一項重要成果。

在更早之前，有人即已證明：任何三維的宇宙都可以在這個宇宙的邊界上等價地描述出來。這就好比皮影戲，影子的移動反映了傀儡的活動（當然，在皮影戲里，影子的世界和真實傀儡的世界并不等價）。這里“等價”指的是包含的信息相同，至于具體如何描述則無關(guān)緊要。好比中英文互譯，只要意思準確，沒有添加，也沒有遺漏，就可說得上忠實，至于詞匯、語法等細節(jié)，譯文和原文肯定是有變化的。

這個理論叫做“宇宙全息論”。我們都知道，二維的激光照片是全息的，因為它能忠實地反映三維物體的形狀。宇宙全息論的意思好比說，如果宇宙是個蛋，那么蛋殼里就已經(jīng)包含了它的全部信息。

馬爾達薩納提出一個由基本粒子和黑洞組成的三維宇宙模型，與現(xiàn)實不同的是，這個假想的宇宙里只有萬有引力這么一種基本作用力（我們知道，真實的宇宙有4種基本作用力）；然后根據(jù)全息的要求，他把這個三維宇宙轉(zhuǎn)化成等價的二維宇宙。妙就妙在這個二維宇宙中，只要粒子遵循量子法則，無需引入萬有引力，就能實現(xiàn)全息的目的。既然在等價的二維世界里信息不會丟失，那么我們就可以肯定地說，在有黑洞的三維世界，信息也一樣不會毀掉。

這個道理就好比說，有一本外文小說，我們雖然看不懂，不知道結(jié)局如何，但我們知道有這么一個忠實的譯本，在譯本里，小說主人公最后沒死，那么，我們就有把握地說，在原著里，主人公也肯定沒死。

既然我們現(xiàn)在可以肯定，黑洞包含的信息是不會丟失的，那么在什么情況下才能保證黑洞在蒸發(fā)的同時，信息不會被毀掉呢？

那就只能認為，霍金輻射并非真如霍金所說，是不攜帶任何信息、雜亂無章的。換句話說，霍金輻射的粒子之間存在著某種關(guān)聯(lián)。這就好一列隊伍，只要每個隊員與前后左右的隊員保持同樣的間距，隊列就可以形成井然有序的方陣。

那么，霍金輻射粒子之間會是一種什么關(guān)聯(lián)呢？大家不約而同地想到粒子之間被愛因斯坦稱為“鬼魅似的”量子糾纏。

什么是量子糾纏？舉個例子。有一個粒子，它的自旋為零?，F(xiàn)在它一分為二，變成了兩個粒子。因為角動量守恒，這兩個粒子中倘若一個順時針旋，另一個必定逆時針旋；接下去，把兩個粒子分開，比方說一個在地球上，另一個在10億光年之外。如果我們通過某種操作把地球上那個順時針旋的粒子改為逆時針旋，按理說，另一個粒子至少要過10億年才能感知地球上這個粒子的變化，——因為信息的傳播需要時間嘛?？墒聦嵅⒎侨绱恕Ｖ灰厍蛏线@個粒子一變化，另一個粒子立刻就能“感覺”到，并把自己的狀態(tài)做相應的調(diào)整，使得兩粒子體系始終保持角動量守恒。

量子糾纏實際上就是一種超距作用，通過這種方式，一個粒子的影響可以瞬間抵達空間任何地方，仿佛距離遠近對它們沒有任何影響。

量子糾纏是相對論無法解釋的，但它確實存在。比如科學家正在研究利用量子糾纏來遠距離傳遞信息。此外，甚至在植物的光合作用、鳥類眼睛感知地磁場這類事情上，都有量子糾纏參與。

現(xiàn)在回過來看，霍金輻射中的量子糾纏又是什么意思呢？是這樣：假設(shè)此刻黑洞輻射出一個粒子A，下一刻又輻射出一個粒子C，那么A和C不應該是獨立、沒有關(guān)聯(lián)的，而應該存在量子糾纏。至于兩個粒子是怎么糾纏上的，我們暫時不去考慮。

這個想法雖好，但一波剛平，一波又起，沒想到引出一個新的麻煩。這個麻煩就是“黑洞的火墻悖論”。

事情還是跟量子糾纏以及霍金輻射有關(guān)。我們前面提到，真空中產(chǎn)生于黑洞視界邊緣的一對虛粒子，若其中一個被吸入黑洞，另外一個則將逃離黑洞，形成所謂的霍金輻射。假設(shè)這對虛粒子是A和B，B掉進了黑洞，而A逃離了黑洞。此刻，霍金輻射的粒子是A。下一刻，又產(chǎn)生一對虛粒子C和D，D掉入黑洞，C逃離黑洞。此刻，霍金輻射的粒子是C。根據(jù)霍金輻射必須攜帶信息的要求，粒子A和C存在量子糾纏。

讓我們再來看原先的兩對虛粒子A和B，C和D。因為它們是從真空中產(chǎn)生的，也需要滿足一系列守恒的要求，所以它們之間事實上也是有關(guān)聯(lián)的，——換句話說，存在量子糾纏：A和B是一對糾纏粒子，C和D又是一對糾纏粒子。即使后來B和D都掉入黑洞（也就是進入黑洞視界里面去了），但因為黑洞的視界并不是實體的東西，而是一個無形的界線，那里除了引力強度跟周圍空間稍有差別之外，沒有任何特別之處，所以糾纏不應該受到破壞。換句話說，哪怕B和D都掉入了黑洞，A依然和B糾纏，C依然和D糾纏。

如此說來，A同時既要跟“孿生粒子”B糾纏，還要跟后續(xù)的粒子C糾纏。可是，量子力學的一項規(guī)則是：糾纏必須是“專一”的，一個粒子不能同時跟2個或2個以上的粒子糾纏。所以，A要么只能跟B糾纏，要么只能跟C糾纏，不能同時既跟B，又跟C糾纏。

如何解決這個矛盾呢？看來A要“忍痛割愛”，必得犧牲掉一個糾纏關(guān)系才行。由于黑洞信息悖論的解決有賴霍金輻射粒子之間的糾纏（即A和C的糾纏），所以大多數(shù)物理學家選擇犧牲A和“孿生粒子”B的糾纏關(guān)系。換句話說，一旦B越過黑洞視界，A和B的糾纏就剪斷了。

可是，我們已經(jīng)說過，黑洞的視界并不是一堵實體的墻壁，它跟周圍的空間相比，其實并沒有特別之處。譬如說，假如一個人掉進黑洞，當他越過視界時，自己根本毫無感覺。所以，黑洞的視界憑什么能“棒打鴛鴦”，把A、B之間的糾纏拆散呢？這豈不違反了廣義相對論的等效原理？

可是很多物理學家在這種情況下，寧肯違反廣義相對論，也不愿跟量子力學對著干。他們決定在黑洞視界上剪除“孿生粒子”之間的糾纏關(guān)系。因為打破粒子之間的量子糾纏，就好比打破分子鍵一樣，要釋放出能量，而黑洞視界“粗暴”地切斷了大量粒子對之間的量子糾纏，所以產(chǎn)生的能量十分巨大。這樣一來，黑洞視界就變成了空間一個很特別的地方，那里的溫度甚至高達1032K，像一個火焰圈，將燒掉任何掉進去的東西。

這個黑洞火墻的假設(shè)看起來很荒謬?！盎饓{空出現(xiàn)在太空中，這種可能性并不比一堵磚墻憑空出現(xiàn)撞到人們臉上的可能性更大，”有人這樣評論道。但要是不做這個假設(shè)，就不得不承認量子力學有錯，而在我們這個量子力學所向披靡的時代，在很多物理學家看來，要承認量子力學有錯似乎更瘋狂、更難以接受。

讓我們暫且先接受這樣一堵火墻的存在吧，接下去來看看，它會對我們原先有關(guān)黑洞的印象造成哪些沖擊。

原先說，黑洞中心有一個密度無窮大的奇點，在那里，所有物理學規(guī)律統(tǒng)統(tǒng)失效；除了這個奇點很特別之外，黑洞倒也沒什么與眾不同之處。但現(xiàn)在，除了奇點，黑洞在視界上也很特別。在視界上，至少原先行之有效的廣義相對論就不適用了。如果廣義相對論在黑洞視界上碰了壁，宇宙學家們就不得不懷疑，它在其他地方還能不能完全適用。

還有，原先說，假如一個人掉入黑洞，他對越過黑洞視界毫無所覺，直要到他離黑洞奇點足夠近，才會感覺到一股頭腳分離的拉扯力，——這是因頭和腳離黑洞中心有一個人身高的距離差，在黑洞這么個引力極強的地方，這個距離所產(chǎn)生的引力差是很大的，由此產(chǎn)生一股拉扯力。但根據(jù)現(xiàn)在的這個理論，當你朝著黑洞中心“優(yōu)哉游哉”地下落時，突然之間，沒有任何預兆，“砰”的一聲，你撞上了這道火墻，被燒成了灰燼。

這還是隨手掂來的兩個例子。事實上，在過去半個多世紀里，黑洞研究已經(jīng)積累下豐富的成果，但現(xiàn)在一切都要重新檢驗。譬如有一種極端的看法認為，只要黑洞火墻出現(xiàn)，我們所知的時空就會在視界處終結(jié)。這樣一來，再討論藏在黑洞中心的奇點就沒什么意義了。

所以，黑洞火墻悖論的出現(xiàn)，讓幾家歡樂，幾家憂愁。事實上，有些物理學家已經(jīng)著手尋找其他替代理論。

比如，提出火墻的物理學家認為，黑洞火墻是黑洞與生俱來的。但有人對此提出不同看法，認為黑洞形成火墻所需的時間極長，甚至比現(xiàn)在宇宙的年齡還長。這事實上就把黑洞火墻從現(xiàn)實中排除掉了。

故事的結(jié)局是：故事至今沒有結(jié)局。在霍金提出黑洞信息悖論近40年之后，物理學家仍在量子力學和廣義相對論的沖突中，進退維谷，左右為難。當然，這未必是一件壞事，這個悖論或許正孕育著一場新的物理學革命。

在正文中我們提到，“黑洞火墻悖論”源于“黑洞的信息悖論”。雖然按物理學家的思路，我們不得不接受這個結(jié)論，但這堵憑空冒出來的火墻還是怪別扭的。所以，大家都在研究如何既能解決黑洞的信息悖論，又不必“撞”到一堵火墻上。最近，有科學家運用圈量子理論取得了進展。

我們知道，廣義相對論把時空看成連續(xù)的，所以黑洞中心的體積可以無限縮小，這樣一來就導致出現(xiàn)一個密度無限大的奇點。而量子理論則認為：空間是不連續(xù)的，像石榴一樣是顆粒狀的。長度有一個最小的極限，大約10-33厘米，叫普朗克長度；與之對應，面積、體積也有極限，分別叫普朗克面積和普朗克體積。此外，時間也有最小的極限，那就是光穿過1普朗克長度所需要的時間。

根據(jù)量子理論，圈量子理論的提出者認為，既然黑洞中心小到普朗克體積就不能再小下去了，那奇點自然就不會產(chǎn)生了。2009年，還有人用圈量子理論研究宇宙膨脹，聲稱宇宙膨脹到一定程度就要往回收縮，收縮到一定程度又要膨脹，如此周而復始，循環(huán)不息。這就是所謂的“宇宙大反彈模型”。

物理學家把圈量子理論用于單個黑洞時發(fā)現(xiàn)，剛開始正如大家所預料的，越靠近黑洞中心，引力越強，但出乎意料的是，強到一定程度，引力反而減小下去了。這說明，靠近黑洞中心到一定程度，物質(zhì)密度反而減小了，甚至正當中可能是空無一物的小孔，這個小孔通向另一個宇宙。

如果黑洞中心真的通往另一個宇宙，那事情就好辦了。黑洞的信息或許會通過一條“時空隧道”漏到另一個宇宙中去。哪怕一個黑洞在我們的宇宙中蒸發(fā)殆盡，即使霍金輻射不攜帶信息，信息也照樣不會被摧毀。而從正文中知道，我們只要不強求霍金輻射攜帶信息，也就不會招惹來怪怪的“火墻悖論”了。