工作原理：黑洞致死

当你双脚先着地穿过事件视界（没有任何东西可以逃脱黑洞引力的点）时，你感觉不到任何变化。但最终，你脚部的引力比头部的要大得多，以至于你会像橡皮泥一样被拉开，直到你断掉。或者至少，这是物理学家在 1915 年爱因斯坦提出广义相对论后画出的图景。在过去的几年里，出现了一些导致你英年早逝的新可能性。

这些思想实验试图解决物理学家斯蒂芬·霍金在 20 世纪 70 年代提出的一个悖论。他指出，在目前的形式下，物理学的两大支柱——量子力学和广义相对论——在黑洞附近不可能同时成立。广义相对论控制着非常大的物体如何运作，而量子力学控制着非常小的物体如何运作。在宇宙的大部分地区，物理学家可以选择应用哪一套规则——广义相对论适用于星系团，量子力学适用于粒子加速器——但黑洞既非常大，又非常小。

这就是这个谜题如此有趣的原因。加州大学圣巴巴拉分校的理论物理学家乔·波尔钦斯基 (Joe Polchinski) 正在研究这个问题，他说，如果物理学家能够解答黑洞致死的问题，他们就更接近将这两大支柱合并为一个量子引力理论。“最终，我们正在寻找一种能统一宇宙力量的理论。”

信息悖论

当前的争论围绕着黑洞如何处理纠缠粒子（即其性质在量子力学上相互关联的实体）展开，当其中一个粒子落入事件视界时。这类似于考虑人类的命运，但对物理学家来说更有趣。你可以把粒子想象成一对骰子，当其中一个被掷出时，另一个会神奇地自己掷出，因此两个粒子的总和总是七。每个粒子只能以这种方式与一个伴侣相关联——物理学家称它们为“一夫一妻制”。

工作原理

1. 传统观点

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根据广义相对论，没有任何东西可以逃脱黑洞，因此​​它们应该会随着吞噬碎屑而随着时间的推移而变得更大。但在 20 世纪 70 年代，斯蒂芬·霍金指出，由于量子力学的一个怪癖，物质实际上可以逃脱。量子力学认为，成对的粒子不断出现并立即自我湮灭。当一对粒子在事件视界形成时，其中一个粒子会落入黑洞，而另一个粒子会漂移而不是消失。该粒子实际上会带走一些物质，最终，黑洞将完全蒸发。

缺陷

这种微小的量子力学效应（被称为霍金辐射）具有重大意义，物理学家们现在正在努力解开这个谜团。这些粒子就像魔法骰子一样相互联系，总和为七。一旦幸存的粒子在事件视界的另一边失去它的伙伴，它就会与新的伙伴联系起来。但根据相对论，事件视界内的粒子并不知道任何事情发生了变化，所以它仍然认为自己与它的伙伴幸福地联系在一起。这存在一个一夫一妻制的问题，因为幸存的伙伴不能同时与新粒子和旧粒子联系起来。

2. 防火墙视图

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2012 年，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员提出了解决一夫一妻制问题的方法。如果当粒子消失在事件视界时，幸存的伴侣放弃与原始伴侣的纠缠，会怎么样？这种分离将使量子力学满意。防火墙将在事件视界之外形成，因为每个断开的链接都会产生少量能量，就像断开的化学键一样。总的来说，这些能量形成一道火墙，将焚烧掉任何落在事件视界的东西。

缺陷

为了构建防火墙，物理学家不得不放弃黑洞的原始特性之一：落入事件视界的观察者不会感觉到任何变化——这一原理被生动地称为“无戏剧性”。防火墙让许多物理学家感到恼火，但大多数人都认为，这种设想有助于梳理量子力学给黑洞带来的微妙问题。防火墙论文的作者之一波尔钦斯基也认为，这可能不是最终答案。“原始图像很可能仍然是正确的，”他说。“尽管我们不知道为什么。”

3. 虫洞视角

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普林斯顿大学和斯坦福大学的两位物理学家提出了另一种可能的解决方案。他们假设，如果幸存粒子的两个伙伴——事件视界内的旧伙伴和事件视界外的新伙伴——实际上是同一个粒子，会怎么样？如果被吞噬的伙伴在黑洞内遇到虫洞，让它可以跳出到其他地方，会怎么样？幸存粒子可以与它连接，认为它找到了新的伙伴，而被吞噬的粒子不会注意到任何变化（除了发现自己身处宇宙的另一个地方）。

缺陷

虫洞似乎为这一悖论提供了一个干净的解决方案。加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索 (Raphael Bousso) 说：“这有点像 B 级电影，你永远看不到一个人和另一个人在一起，所以他们一定是同一个人。”但布索表示，这一计划可能无法实现，因为这种方法在其他方面与量子力学相冲突。“我觉得它没有其他人认为的那么有希望。”因此争论仍在继续。

不是你的星系的黑洞

这里描述的吸光奇点是理论上的，而不是位于银河系和其他大星系中心的真正超大质量黑洞。这些量子黑洞需要稳定、孤立的环境。此外，它们的量子力学特性可能需要比宇宙年龄更长的时间才能出现。与霍金共事的阿尔伯塔大学理论物理学家唐·佩奇说，这意味着没有机会通过实验来测试许多黑洞致死理论。“它们发展得太晚了，已经没有人可以测试它们了。当然，无论如何，掉进黑洞都是疯子。”

本文最初发表于 2015 年 4 月的《大众科学》杂志，属于我们年度《工作原理》系列的一部分。