黑洞互补性：视界附近的防火墙

玻尔在1927年提出互补性原理，说明量子力学中互补的物理量（位置与动量）或性质（波与粒子性），是不可能同时准确测量出完整信息的。美国斯坦福大学的萨斯坎德（Leonard Susskind，1940——）、索尔拉休斯（Larus Thorlacius）、格卢姆（John Uglum）在1993年借用这个名词，提出了黑洞互补性（BH complementarity）。他们猜测坠入黑洞的观察者与在远处永不坠入黑洞的观察者，都不可能准确测量出黑洞的完整信息。这两个观察者的测量结果可以不一致，不过由于他们最后不能互通信息，因此并不会有任何矛盾发生。荷兰乌得勒支大学的斯蒂芬斯（C. Stephens）、霍夫特（Gerard't Hooft，1946——）、怀廷（Bernard Whiting）也在同时期提出类似的概念。

在萨斯坎德等人的计算中，他们做了四个假设：

（1）黑洞辐射总体而言处于一种（封闭系统）量子力学可以描述的状态（所谓的“纯态”）；

（2）黑洞辐射所携带的信息是从事件视界附近的延展视界（stretched horizon）所发出，黑洞视界外的物理可用弯曲时空的量子场论来描述；

（3）对于远处的观察者来说，黑洞看来像是个具有离散“能”谱的量子系统；

（4）坠入黑洞的观察者不知不觉就通过延展视界。

这些看起来都合乎我们对黑洞物理的认识，尤其（4）——坠入黑洞的观察者通过视界时毫无感觉，乃是反复辩证下的推论。严格来讲，没有任何现实中的观察者能定义事件视界，因为事件视界要到无穷久以后的未来才能决定。所以数值模拟黑洞动力学的理论物理学家，通常用的是表观视界或类似的概念来定义黑洞的范围：黑洞的表观视界是类似球面的封闭曲面。麻烦的是，在闵可夫斯基空间中，我们也到处都可以定义表观视界，只不过此处的表观视界并非封闭曲面。对于理论物理学家来说，在纸上或计算机中判别表观视界是否为黑洞表面并不复杂，可是对于局限于宇宙一隅的局域观察者或实验者来说，通常只能看到表观视界的冰山一角，根本不能确定它是否封闭。因此受过广义相对论训练的人，很难相信渺小的我们在通过黑洞的视界时会有感觉，会知道自己已经出不去了。

但在2012年，阿尔姆海里（Ahmed Almheiri）、马罗尔夫（Donald Marolf）、波尔金斯基（Joseph Polchinski，1954——）、萨利（James Sully）发觉，黑洞互补性的第一、第二和第四个假设，不可能同时成立。他们认为最保守的解决之道就是放弃第四个假设。也就是说，视界附近也许存在具有巨大能量的“防火墙”，让你不得不知道你撞到黑洞表面了。该“防火墙”（firewall）从字面上看也是道防火墙，可以摧毁所有将要掉进黑洞的物质，把信息弹回黑洞外。(www.xing528.com)

在萨斯坎德等人的黑洞互补性计算与论证中，事件视界内外的量子场是完全没有关联的。而标准的弯曲时空中的量子场论就已告诉我们，只要量子场在空间中两个区域的关联硬被切开，两区域交界处的能量密度就会是无限大，也就是说，“防火墙”本来就存在于萨斯坎德等人的计算里。

不过不苟同这个观点的学者也大有人在，理由有：

（1）视界内外的关联是否要切开、要怎么切，都是问题；

（2）视界内外的无关联状态不可能一直保持，因为“防火墙”还是会和坠入的物质散射，而使墙外和墙内的自由度产生关联。之后，“防火墙”可能就减弱或消失了。

追根究底，问题还是出在黑洞中心奇点这个坏东西上。黑洞互补性与“防火墙”论证中，奇怪的部分总是被这个奇点切断的关联或散射出来的量子，但奇点的物理我们无法描述，因此这笔债也不知道该找谁去讨。

一劳永逸的解决办法是找到正确的量子引力理论，在其描述之下，黑洞中心根本就没有物理奇点。当然，哪个是正确的量子引力理论，目前学界还没有共识。一个有趣的提议是马瑟（Samir Mathur）基于弦论所引申出的想法：在星球坍塌到黑洞尺度左右时，整个系统变成一个类似中子星的致密星体，不过此星体不是由中子，而是由简并的超弦所构成。经过计算，马述尔发现它的表面刚好位于等质量黑洞的事件视界所在之处，因此根本不会有物体穿越古典的事件视界这种事，而外部的观察者也无法将它与黑洞区分。这种致密星体处在其本征态时，巨观大小是固定的，不过在小尺度下观察时，量子涨落会让其边界变得模糊（fuzzy），因此马述尔把这类星体称为“黑洞毛球”（fuzzball）。

如果超弦理论是对的，那么掉到“黑洞毛球”表面的物质，也都是由超弦所构成。这些超弦会融入“黑洞毛球”中，构成更复杂的状态。“黑洞毛球”内部没有物理奇点，信息当然也就不会消失于其中，只是像掉进其他星体一样，搅进“黑洞毛球”内。因此“黑洞毛球”要是能够完全蒸发，原来掉入的信息必然会全部回到宇宙中，虽然存在的形式可能已经大不相同。