愛因斯坦

一場(chǎng)從2012年夏天開始的爭(zhēng)論，到如今愈演愈烈。理論物理學(xué)家們還在為此思考，并且為之感到迷惑、為難或是激動(dòng)。這群從事著可能是世界上最奇特職業(yè)的人思緒集中在宇宙中一個(gè)人類完全無法抵達(dá)的區(qū)域，在這里，理論物理學(xué)和理論物理學(xué)家們都遇到了大麻煩。在這一年多的時(shí)間里，爭(zhēng)論與其說是使理論物理學(xué)家們?nèi)〉昧诉M(jìn)步，倒不如說是讓他們退回到了40年前的境地，現(xiàn)在這些理論物理學(xué)家們不得不面對(duì)這樣的問題：量子力學(xué)到底出了什么問題？

這群理論物理學(xué)家爭(zhēng)論的焦點(diǎn)仍然集中在黑洞這種宇宙中最奇異的天體上。在宇宙中一些死亡的恒星最終可能會(huì)由于自身重力的坍塌而形成黑洞，這是由廣義相對(duì)論推導(dǎo)出的一個(gè)自然的結(jié)果（雖然愛因斯坦本人并不相信），雖然宇宙學(xué)家無法直接觀測(cè)到黑洞的存在，人們卻已經(jīng)通過很多種間接的方式證明了黑洞是一種在宇宙中普遍存在的天體，比如說在銀河系的中心，就存在著一個(gè)超大型黑洞。當(dāng)然，這并不是現(xiàn)在理論物理學(xué)家們關(guān)注的問題，黑洞對(duì)于理論物理學(xué)家們來說，有著另外一層更深遠(yuǎn)的意義，它是目前人類物理學(xué)的兩大支柱：量子物理學(xué)和廣義相對(duì)論交鋒的場(chǎng)所。

量子力學(xué)主要描述的是在極小尺度下的物理規(guī)則，而廣義相對(duì)論則通常是用來描述大尺度的宇宙空間的性質(zhì)，可以說這兩種理論有著各自的適用范圍，但矛盾在于，這兩種理論在目前無法融合在一起。物理學(xué)家們通過廣義相對(duì)論推導(dǎo)出了黑洞的存在，但是這種奇特的天體卻具有顯著的量子效應(yīng)，也就是說，這兩種理論都可以在黑洞的性質(zhì)中得到體現(xiàn)，無怪它成為兩種理論交鋒的最新場(chǎng)所。

引發(fā)爭(zhēng)論的源頭還是那篇在2012年7月份，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校兩位理論物理學(xué)家和他們的學(xué)生（如今這四個(gè)人作為引發(fā)爭(zhēng)論、發(fā)現(xiàn)這個(gè)悖論的創(chuàng)始者被稱為AMPS）發(fā)表的論文預(yù)印本：《黑洞：互補(bǔ)性或是火墻？》（Black Holes：Complementarity or Firewalls）。這篇論文把量子物理學(xué)和廣義相對(duì)論的矛盾集中在了黑洞的邊界——視界（Event Horizon）上，這讓這場(chǎng)震動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)界的爭(zhēng)論有了一點(diǎn)坐而論道的意味：沒有任何人可以接近黑洞，或是真正在黑洞的邊緣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是這些全人類最優(yōu)秀的頭腦卻在思考一對(duì)在黑洞的視界邊緣、狀態(tài)緊密的相關(guān)粒子，如果當(dāng)其中之一進(jìn)入了黑洞，會(huì)發(fā)生什么情況。在理論上，這種由廣義相對(duì)論推導(dǎo)而出的天體遭遇到量子力學(xué)中最為奇特的一種現(xiàn)象：量子糾纏（Quantum Entanglement），矛盾也就由此產(chǎn)生。

愛因斯坦從來沒有掩飾過他對(duì)于量子力學(xué)的不信任，他不認(rèn)為量子力學(xué)的概率性表達(dá)揭示了自然界的規(guī)律，他對(duì)于量子力學(xué)中玄而又玄的量子糾纏現(xiàn)象尤其懷疑，稱這種現(xiàn)象為“鬼魅般的超距作用”（Spooky Actionata Distance）。兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子，無論相隔多少光年，它們之間的狀態(tài)始終不受空間的影響，相互糾纏，這明顯違背了相對(duì)論，但是令人不安的是，量子糾纏現(xiàn)象已經(jīng)被各種實(shí)驗(yàn)證實(shí)，成為了量子力學(xué)最基礎(chǔ)的概念之一。如今，在黑洞的邊緣，這種鬼魅般的超距作用，似乎準(zhǔn)備開始報(bào)復(fù)愛因斯坦，于是理論物理學(xué)又面臨著這樣一個(gè)問題：愛因斯坦錯(cuò)了嗎？廣義相對(duì)論的等效原理是否還適用？

美國航空航天局于8月29日公布的超級(jí)黑洞示意圖

在黑洞的邊界，當(dāng)一對(duì)處于糾纏態(tài)的粒子其中之一留在黑洞之外，而另外的一個(gè)粒子進(jìn)入了黑洞的視界，會(huì)發(fā)生什么情況？根據(jù)廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，這個(gè)進(jìn)入黑洞領(lǐng)域的粒子除了永遠(yuǎn)不能再逃出黑洞之外，不會(huì)有任何特殊的經(jīng)歷。根據(jù)廣義相對(duì)論的等效原理，即使是一個(gè)人進(jìn)入了黑洞，也不會(huì)有十分特殊的感受，只有在非常接近黑洞的中心時(shí)才會(huì)感受到強(qiáng)大的引力。但是如果把這一條簡(jiǎn)單的等效原理與早就被實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的量子糾纏現(xiàn)象結(jié)合起來，便形成了一個(gè)悖論：進(jìn)入黑洞視界的粒子是否還能保持與黑洞之外的粒子的糾纏狀態(tài)？

如果進(jìn)入黑洞的粒子繼續(xù)保持和黑洞外部粒子的糾纏狀態(tài)，那么這將違反量子力學(xué)對(duì)于黑洞性質(zhì)的判斷——被黑洞吸收的信息將永遠(yuǎn)消失。根據(jù)量子力學(xué)的預(yù)測(cè)，在黑洞外部的粒子，需要與黑洞外部的另外一個(gè)粒子形成糾纏態(tài)，但是這很明顯違背量子糾纏最基本的準(zhǔn)則：一個(gè)粒子只能與另外一個(gè)粒子形成糾纏態(tài)，無法同時(shí)和其他兩個(gè)粒子同時(shí)保持糾纏狀態(tài)——那么，究竟應(yīng)該與誰形成糾纏態(tài)？如果這兩個(gè)原本糾纏的粒子在其中之一進(jìn)入黑洞的視界時(shí)糾纏狀態(tài)忽然發(fā)生改變，這又是如何發(fā)生的？這就是“黑洞火墻”悖論。有越來越多的理論物理學(xué)家認(rèn)為，在黑洞的視界周圍，存在著一個(gè)由“霍金蒸發(fā)”形成的火墻，這個(gè)能量巨大的火墻可以保證任何進(jìn)入其中的粒子與外界的糾纏狀態(tài)在瞬間被破壞掉，這個(gè)火墻也足以保證任何進(jìn)入黑洞視界內(nèi)部的人還沒等到被黑洞的引力變成一根面條，在它的邊界處就化為灰燼。

與量子力學(xué)一樣，廣義相對(duì)論也經(jīng)歷了將近100年的實(shí)踐檢驗(yàn)，沒有廣義相對(duì)論，就沒有宇宙學(xué)的誕生，也不會(huì)有GPS定位系統(tǒng)。那么，在黑洞這個(gè)廣義相對(duì)論最為極限的預(yù)測(cè)中，在這個(gè)廣義相對(duì)論與量子力學(xué)短兵相接的戰(zhàn)場(chǎng)，現(xiàn)在理論物理學(xué)家究竟該放棄什么？加州大學(xué)伯克利分校的理論物理學(xué)家拉菲爾·布索（Raphael Bousso）認(rèn)為，這簡(jiǎn)直就是“來自地獄的菜單”。加州大學(xué)圣芭芭拉分校的理論物理學(xué)家約瑟夫·玻爾欽斯基（Joseph Polchinski）則認(rèn)為，這是因?yàn)槿祟愡€遠(yuǎn)沒有認(rèn)識(shí)到時(shí)空和引力的本質(zhì)。那么，什么才是宇宙中最本質(zhì)的東西？有物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙中最為本質(zhì)的正是量子糾纏、時(shí)空以及引力效應(yīng)，實(shí)際上都是量子糾纏狀態(tài)的體現(xiàn)，因此才會(huì)產(chǎn)生出這樣的悖論，這使得這個(gè)悖論在短時(shí)間內(nèi)還無法解決。

量子糾纏狀態(tài)是否是宇宙中最根本的狀態(tài)？顯然還有更多的理論物理學(xué)家認(rèn)為是這樣，不僅是引力，有人認(rèn)為就連物理學(xué)中最基本的“時(shí)間”概念實(shí)際上也是由量子糾纏狀態(tài)衍生出來的。2013年10月17日，幾位來自意大利和俄羅斯的物理學(xué)家在網(wǎng)上發(fā)表了他們的論文——《量子糾纏產(chǎn)生的時(shí)間：一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的幻覺》（Time From Quantum Entanglement：An Experimental Illustration）。在論文中，作者認(rèn)為，在一個(gè)“宇宙”中，正是由于時(shí)鐘與宇宙的其他部分發(fā)生了量子糾纏，才使得這個(gè)宇宙中的觀測(cè)者產(chǎn)生了時(shí)間正在流逝的幻覺，而對(duì)于宇宙之外的“超觀測(cè)者”來說，整個(gè)宇宙的狀態(tài)實(shí)際上則是停滯的，并不存在時(shí)間的概念。為了解釋這一點(diǎn)，作者們創(chuàng)造了一個(gè)只有兩個(gè)光子組成的“宇宙”，這兩個(gè)處于糾纏態(tài)的光子其中之一為時(shí)鐘，對(duì)于另外一個(gè)光子來說，時(shí)間正在運(yùn)行，可是對(duì)于這個(gè)宇宙之外的“超觀測(cè)者”來說，這兩個(gè)光子的狀態(tài)并不曾改變，時(shí)間并不存在。

這次物理學(xué)界的大爭(zhēng)論，與物理學(xué)史上的其他爭(zhēng)論最大的區(qū)別就在于它是完全基于理論產(chǎn)生的悖論，而沒有（也不可能有）任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持其中的任何一方，這在人類科學(xué)發(fā)展史上恐怕是空前的，這也說明了人類對(duì)于自然界規(guī)則的認(rèn)識(shí)已經(jīng)到達(dá)了一定的高度。不能忽視的是，這個(gè)悖論產(chǎn)生的源頭就在于愛因斯坦始終深深懷疑的量子糾纏現(xiàn)象，而爭(zhēng)論的戰(zhàn)場(chǎng)則是在愛因斯坦始終不相信的黑洞。此刻再想起愛因斯坦的評(píng)價(jià)，“鬼魅般的超距作用”，恐怕理論物理學(xué)家們會(huì)有更深的體會(huì)了。

在19世紀(jì)與20世紀(jì)之交，英國開爾文勛爵在回顧物理學(xué)的主要成就時(shí)，認(rèn)為當(dāng)時(shí)的物理學(xué)大廈已經(jīng)完成，只是在上空飄浮著“兩朵烏云”。一語成讖，隨后這兩朵烏云引來的暴風(fēng)驟雨摧毀了經(jīng)典物理學(xué)，也催生了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論。如今當(dāng)這兩朵烏云再次發(fā)生碰撞，產(chǎn)生的閃電讓人們見到了那個(gè)始終揮之不去的“鬼魅般的超距作用”——量子糾纏。人們不知道這次關(guān)于這個(gè)悖論的爭(zhēng)論將會(huì)持續(xù)多久，又將對(duì)物理學(xué)，對(duì)人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，產(chǎn)生怎樣的影響。