“触怒”了物理学界的黑洞信息悖论，她是如何破解的？

文章图片
近年来在量子引力方面最重要的进展之一，就是关于黑洞信息悖论（或称佯谬）的问题得到了回答：几位年轻学者，通过引入量子极值面找到了佩奇曲线的转折点，量子黑洞蒸发过程不会丢失信息。去年《返朴》曾简要介绍过这项工作《黑洞信息悖论之谜，霍金最后的问题被解决了吗？》，现在，我们来听听论文作者NettaEngelhard的说法，她是如何破解黑洞信息悖论的。（关于黑洞的纠缠熵与佩奇曲线等内容请参见今日二条文章《详解黑洞信息佯谬》）
采访者丨NatalieWolchover
受访人丨NettaEngelhard
编译丨董唯元
延续了半个世纪的黑洞信息悖论，一直被认为是通往量子引力理论的关键路标之一。在新一代迎难而上的研究者中， NettaEngelhardt俨然已成为佼佼者。

文章图片
1974年，霍金经过计算发现黑洞会衰亡，而且还会拉上信息陪葬。在黑洞的表面，就是术语称为“视界”的地方，量子随机涨落效应会使黑洞产生辐射并慢慢萎缩消失。至于这个黑洞当初是由什么样的天体收缩而成，其后又吞噬过什么物质，这些历史记忆似乎都会随着黑洞的死亡而彻底丢失。
这就是“触怒”了物理学界的“黑洞信息悖论” ，由此悖论激起了基础物理领域长久的争论和研究。一方面，作为粒子行为规则的量子力学表明，粒子演化过程中，过去的状态信息都会被携带到现在和未来，这个基本原则被称为“幺正性（unitarity）” 。另一方面，黑洞是广义相对论的产物，时空像一张可以弯曲的网，引力就是时空的弯曲。而霍金尝试对黑洞边缘附近的粒子应用量子理论，得到了破坏幺正性的结果。
那么蒸发的黑洞是否真的会造成信息丢失，也就是说，幺正性不是自然界的基本法则？还是信息能够随着蒸发逃出黑洞？物理学家很快发现，这个悖论紧密地联系着真正的引力的量子化理论。大概也只有在黑洞附近，广义相对论和其量子化版本才会体现出显著的差异。
近两年，一批主要由千禧一代（millennial ，一般指从“80后”到“95前”的一代人）组成的量子引力理论研究者，在霍金悖论上取得了非常大的进展。其中一位领导者，是来自麻省理工学院年仅32岁的理论物理学家NettaEngelhardt 。她和同事刚刚完成了一项新的计算，纠正了霍金1974年的公式。他们的计算结果显示，信息真的可以通过蒸发辐射逃出黑洞。她和AronWall发现黑洞视界内存在着一个看不见的对象，称为“量子极值面（qunantumextremalsurfce ， QES）” 。 2019年， Engelhardt曾与其他合作者发现，如果信息确实能够从黑洞中逃逸，那么量子极值面上似乎恰好编码了黑洞演化过程中逃逸信息的精确数量。
“因在计算黑洞信息内容和黑洞辐射方面的贡献” ， Engelhardt荣获了2021年物理学新视野奖（NewHorizons）。她的一位长期合作者，就职于高等研究院的AhmedAlmheiri ，评价她“对错综复杂的引力问题具有深刻的直觉” ，尤其体现在量子极值面的发现过程中。
Engelhardt自9岁起就开始关注量子引力问题。那时她刚刚跟随全家从以色列搬迁到波士顿，还不会英语，只能翻看屋子里所有能找到的希伯来语书籍。其中最后一本书，就是霍金的《时间简史》。 “那本书引发了我的好奇，想要知道宇宙的基本构成。 ”她回忆说， “从那时候起，我就好像找到了自己的方向，一边看各种科学节目，一边不断地向任何可能知道答案的人问问题，然后我的目标就越来越清晰。 ”她最终将目标锁定在霍金悖论。