黑洞逃生口：另一个宇宙？

Hawking 的大胆假设，以及为何我们仍在讨论它

当 Stephen Hawking 首次宣布 黑洞 会发射热辐射时，他颠覆了一个世纪以来的假设：那些曾经被认为会永远隐藏所有信息的物体，实际上可能会缓慢蒸发。这一发现引发了现代信息悖论——如果 Hawking 辐射确实是随机的，那么掉入黑洞的任何物体的量子细节都将不可挽回地丢失，量子力学定律也将随之崩塌。在过去的几十年里，这一悖论成为了理论物理学中一些最活跃发展的引擎：全息原理、互补性、量子纠缠计算，以及最近提出的将信息带出黑洞的“纠缠岛”（islands）概念。

为什么这个悖论如此重要

这种矛盾表述简单，但后果深远。量子理论坚持物理过程是幺正的（unitary）：原则上，了解现在就能重构过去。然而，在 Hawking 的半经典计算中，广义相对论对 黑洞 的描述似乎得出了相反的结论。如果信息真的丢失了，物理学的基本支柱——统计力学和量子理论本身——都将面临危机。其结果是不同观点支持者之间长达数十年的思想斗争：一些人认为信息必然被销毁，另一些人则认为信息被编码在微妙的相关性中，或存在于视界（horizon）之上。

从悖论到共识：信息可以逃逸

过去十年的两条线索促使许多理论家达成了实际共识：首先，无论多么微小，量子引力效应都可以修正 Hawking 最初的结论，从而使信息不至于丢失；其次，全息视角为这一过程的实现提供了一个坚实的框架。利用全息对应（某些引力系统与低维量子场论之间的等效性）进行的计算表明，蒸发 黑洞 的熵遵循幺正演化所预期的 Page 曲线。其他研究辐射量子 纠缠 结构的方法则产生了“纠缠岛”——即在传出的辐射中有效编码内部信息的区域。

这些结果非常重要，因为它们改变了结论：关于掉入物的信息并未被销毁。但这个答案带有一个巨大的附加条件。信息通常散布在巨大的空间体积中，并以指数级复杂的方式纠缠在一起；要从辐射中重构掉入其中的量子系统，其难度之大，在现实实验中几乎是不可能实现的。

全息图、互补性与事实上的不可见

Leonard Susskind 等人强调，原则上信息并未丢失——幺正性得到了保留——但在计算上它变得无法获取。外部重构需要天文数字般的运算量，这实际上使得信息在任何现实的实验中都无法恢复。因此，Hawking 最初主张的哲学冲击力被削弱了：物理定律保持完好，但决定论变成了一个既涉及原则又涉及实际复杂性的问题。

黑洞能将物质喷射到另一个宇宙吗？

掉入其中的物质可能最终进入另一个宇宙的想法比近期的技术进步还要久远。这种观点有几种形式。一种是将黑洞视为“婴儿宇宙”成核位点：在某些 量子引力 方案中，黑洞内部可以分离并成为一个与我们的时空脱离的膨胀域。另一种途径是通过虫洞和非平凡拓扑：量子效应可能会以经典广义相对论不允许的方式连接不同区域。

Hawking 本人曾推测，越过视界的部分物质可能会在其他地方重新出现——或许是在一个独立的宇宙中。这目前仍处于推测阶段。那些能够让信息恢复到外部的当代计算，并不意味着存在一个可见的物理隧道，能将宏观物体完好无损地送入另一个宇宙。相反，它们展示了量子纠缠和时空的微妙之处如何将内部状态的信息编码进传出的辐射中。对于人类或航天器来说，视界处的潮汐力和热化过程仍然是致命的；关于能否穿过黑洞并幸存的实际答案仍然是否定的。

内部是下一个前沿

或许最棘手的谜团是蒸发黑洞内部究竟发生了什么。这些挽救信息的新计算主要在视界处或视界外进行，或者是针对适用于精确全息对偶的玩具模型。它们尚未给出关于内部几何和动力学的详细且公认的图景。推测范围很广，从与互补性兼容的光滑内部，到防火墙（firewalls，即视界处高能原子的剧烈区域），再到更奇特的等效性，即不同的内部配置实际上是从不同时空切割方式看到的同一状态。

这如何与暴胀、多重宇宙和无限联系起来

黑洞之外存在什么的问题，自然地与更广泛的宇宙学思想联系在一起。宇宙暴胀和永恒暴胀预测了一个因果断裂的区域景观；在某些解释中，这些就是字面意义上的“其他宇宙”。物理学家还将永恒暴胀产生的多重宇宙（指数级激增的泡泡宇宙集合）与量子力学产生的多世界进行了比较。一个技术性的要点是：这些图景中出现了不同类型的“无限”。暴胀多重宇宙倾向于指数级的无限；多世界的分支结构是组合式的，可能是更大规模的无限。

协调这些无限能告诉我们，一个包含所有可能性的量子力学多重宇宙是否能在更大的暴胀时空中物理实现。目前的观点认为，除非暴胀在过去是永恒的，或者暴胀区域在空间范围上天生就是无限的，否则你不会真的发现量子可能性的每一个分支都实现为一个独特的暴胀口袋。这些是跨越 宇宙学 和量子力学基础的深奥开放性问题，它们表明了黑洞物理学、量子引力 和 宇宙学 都是同一个概念之结的组成部分。

未来的重点

对研究人员而言，前进的道路是技术性和具体化的：探索内部、完善全息字典、测试玩具模型，并将量子模拟推向接近引力动力学的范畴。对于好奇的公众来说，教训则更为微妙。黑洞教会了我们，悖论是物理学中的一种生产力：显而易见的矛盾迫使我们发明新思想——全息原理、复杂性、量子极端表面——而这些思想的应用往往远远超出了它们的原始语境。

我们的现状

来源

• Nature (Stephen Hawking 1974 年关于黑洞辐射的论文)
• Stanford Institute for Theoretical Physics (关于黑洞信息的研究和观点)
• Institute for Advanced Study (关于全息原理和量子引力的研究)
• University of California, Berkeley (纠缠岛和近期熵计算)
• Event Horizon Telescope Collaboration (黑洞环境的观测研究)
• University of Sussex (量子引力和信息的综述与评论)