全息图像记录黑洞探险“格列弗游记”

跌入黑洞的任何物体将被转化为全息图像，或者撞到“世界末日”的防火墙，物理学家目前仍然在争论无言结局的“黑洞旅行”，跌入黑洞物体的最终命运。电影《星际穿越》中的主角库珀非常及时地逃脱了黑洞，他看到自己的女儿墨菲到了生命的最后时辰。一些科学影迷认为影片以生动的故事演绎了天体物理学的原理，在学校的课堂讲解“太空物理学”的知识将能激发学生的科学兴趣。

很多科学家在现实意义上相信，任何物体一旦跌入“万丈深渊”的黑洞都将“粉身碎骨”，然而，新的研究显示了黑洞可能不是物体的“超级粉碎机”，或在毁灭物体的过程中“不留下一片云彩”，它不是剿灭一切物体的巨型怪物。“铁骨铮铮”的黑洞似乎有“柔情似水”的一面，与人们想象中的吞没和毁灭的象征不同，当一个探险者跌入黑洞时可能在毫无感知的情况下被吸附成一张全息图像。科学家最近的研究成果挑战了竞争对手的理论，任何一位跌入黑洞的探险者将无所知觉地撞向一道“防火墙”，成为黑洞实验的“殉道者”。

40年前，斯蒂芬·霍金提出了震惊科学界的见解，黑洞实际上不黑，经典物理学的观点认为，任何跌入黑洞视界的物体绝无脱离的可能，霍金的见解表明，黑洞的量子效应产生了持续的辐射，不幸的是，对于典型天体物理学意义的黑洞而言，黑洞辐射的温度远低于宇宙微波背景辐射，现有的测量技术不能探测黑洞辐射的量级。霍金的计算结果令人困惑，一个持续释放辐射的黑洞最终在蒸发中失去全部物质，即使我们测量了黑洞的微弱辐射，也不可能计算它最初的形成方式，这违反了量子力学的重要原理，信息既不能消失、也不能创生。

考察“霍金辐射”的另一种方法是它对“决定论”观点的影响，决定论的观点认为，宇宙在任何给定时刻的状态由任何其它给定时刻的状态唯一确定，人们得以在天文学和数学基础上追溯宇宙演化的原因。从量子力学和爱因斯坦引力理论的融合中也许能产生新的决定论，这对很多物理学家来说几乎代表了最高的物理学目标，似乎是“不可能的使命”。黑洞物理学家构建了检验任何潜在的量子引力理论的平台，无论怎样的“五花八门”理论都必须解释一个谜题：在记录黑洞历史的信息中发生了什么？

科学家用了20多年的时间寻求信息难题的解决思路，一种观点认为，储存在黑洞的信息与黑洞的表面积符合特定的比例，黑洞的表面积表现为二维时空，而不是三维时空的概念，量子引力理论解释了信息与黑洞表面积的比例关系。量子引力的世界无需存在引力因素，三维空间从二维世界重新构造，非常符合全息图像的描述。

弦理论对量子引力进行了大量研究，弦理论以同样的方式显示了全息原理的有效性，物理学家应用全息原理描述了黑洞在无引力的二维世界的蒸发过程，以量子力学的通常规则进行的描述符合决定论的观点，对黑洞历史的辐射编码上存在小的不完美性。全息原理证明了黑洞的信息不会丢失，而追寻霍金原初观点的错误极其困难。

存在黑洞的“毛绒球”与“防火墙”两种理论，精确描述黑洞的量子理论显得困难重重，2003年，萨米尔·马瑟提出了一种观点，黑洞也许是“毛绒绒”的球体，没有锐利的视界，沿黑洞视界区域发生的量子涨落记录了黑洞的历史信息。马瑟的理论假说解决了黑洞信息丢失的悖论，然而，他的理论构想招来了一系列批评的声音，批评者认为他的理论包含一种含义，当某位探路者跌入“毛绒球”的黑洞时，他（她）与跌入了由爱因斯坦广义相对论描述的黑洞的另一位探路者将有极不同的探险体验，“爱因斯坦黑洞”不是奇异填充物的“毛球”，它是引力场的“空心洞”。

根据广义相对论的推论，一旦探路者或发现者穿越了黑洞视界或黑洞表面，探路者或发现者将会一直穿越到越来越深的黑洞内部，他（她）对黑洞时空的弯曲感受十分强烈，时间和空间的坐标似乎发生了翻转，探路者除了“疲于奔命”地行进，别无其它选择，直到抵达黑洞中心的“奇点”，人们已知的一切物理学规律在黑洞的奇点停止了作用，探路者的“无知者无畏”成了唯一的精神寄托，然而，在物理现实的意义上，在抵达“奇点”之前，探路者的心脏早已停止了跳动，在黑洞旅行的最早期死去，“出师未捷身先死”。黑洞视界的巨大潮汐力将探路者磨成粉碎，甚至不给探路者留下痛苦的时间。

在马瑟构想的由量子引力理论描述的黑洞中，任何一位探路者跌进黑洞后将会撞上一道“防火墙”，顷刻之间毁灭自己，“防火墙理论”遭到了众多科学人士的批评，它对黑洞视界的描述与广义相对论的观点存在极大不同，马瑟认为，对黑洞视界以外的某位观测者来说，任何一位跌入“毛绒球黑洞”的探路者看起来好像任何一位跌入了“爱因斯坦黑洞”的探路者，他们在两种性质的黑洞的旅行体验极为不同。其他研究黑洞“防火墙理论”、“毛绒球理论”的物理学家对黑洞特征的分析依赖给定的样态。

对非常特别的黑洞“毛绒球”，马瑟简洁明了地进行了物理描述，特别的“毛绒球”与天体物理学家在观测中描述的“毛绒球”极为不同。探路者跌入黑洞的“思想实验”还将继续进行，争论的关键问题不在于双方的冷嘲热讽，而在于分清双方争论的本质。黑洞的视界区域被重新构造成全息图像，这是如何发生的？如何精确地描述发生的过程？

（编译：2015-6-29）