防火墙理论与基础物理学的危机

时间:2023-11-19 02:29:02

史蒂夫·吉丁斯(Steve Giddings):加州大学圣芭芭拉分校理论物理学家。

防火墙理论与基础物理学的危机

真正让我彻夜难眠的是,一个重大危机正在物理学最深层次的内部酝酿着,而解决这个问题的唯一办法可能是对基础物理原则的深刻调整。

我先讲一些轻松的事情来开始这个故事——“防火墙”。有一张十足离经叛道的关于黑洞与“防火墙”的图片在我的同事之间疯传,它描述的是掉入黑洞的观察者在视界上瞬间化为灰烬的场面。这张图片引起了一些新争论,并已经开始传到新闻界,但其实它只是用“防火墙”重新命名了早已为人所知的现象。如果正确,它很可能意味着在我们银河系中央的黑洞根本就不是个黑洞;相反,它是位于银河系中央的“防火墙”,并且它能瞬间摧毁任何冒险进入约1 200万公里中央区域的人和物。

我不担心这个故事是正确的,因为它太离谱,并且过分违背了最基本的物理学原理。但是,其他严肃物理学家转发它这样的事实,无疑彰显了我们所面临危机的严重程度。

总之,危机源于基础物理学原则之间的深刻冲突,这些原则是物理学基本框架结构的基石。根据这些原则形成了量子力学理论、相对论(狭义和广义)和局部性(locality),而这些理论又联合造就了局部量子场理论(local quantum field theory)。局部量子场理论是我们解释真实物理现象最重要的工具——从发光的太阳到早期宇宙的物质创造,再到希格斯玻色子(如果事情就是这样)。

任意一个原则被推到极端就会引发冲突。当两个带有足够能量的粒子相撞而形成一个黑洞时,最尖锐的问题就出现了。我们遇到了著名的黑洞信息问题:如果进来的粒子开始处于纯量子态,霍金的计算推测出黑洞会蒸发成一个混合的、热均衡的最终状态,并伴随着大量量子信息的消失。这个问题冒犯并就此宣判了量子力学。虽然严肃的人们确实在考虑修正量子力学,但霍金的说法可能会引发更麻烦的问题。比如,霍金最初拟议的量子力学改动,将意味着对所有观察者而言都存在一堵“防火墙”,并无处不在!而量子力学似乎对任何修改都表示出非同寻常的抵抗,即使有些确实是合理的。

如果量子力学是神圣的,显然其他的原则必须靠边站——不论是那些相对论的不变性还是局部性,或两者兼有。然后,相对论同样对合理的修改异常抵触。不过,在量子力学和万有引力有关的理论中,局部性总像黏合剂一样使前两者能够并存。所以,局部性的合理性也很值得怀疑。

局部性的基本表述是,量子信息不能传播得比光速还快。至少早在1992年,局部性就被建议修改,以解决在黑洞之外获得丢失的量子信息的问题。在接下来的几年里,局部性走到了被推翻的边缘,一个更激进的“非局部性”表述开始逐渐被认可。这一局面建立在全息原理和互补性的新概念上,它们认为黑洞的内部观察和外部观察是互补的,类似于尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)量子力学中位置和动量测量的补偿。全息论/互补性受到广泛探索,并被重要的物理学共同体所接受。

在过去的几年里,有一点逐渐变得明朗起来,互补性的激进其实毫无必要,甚至很可能自相矛盾。虽然物理学共同体还没有就摒弃互补性给出最终裁决,不过,它的明显没落,还是让越来越多的人开始关注我们面临的深刻危机。

在上述情况中,一个或更多基础原理必须被丢弃,我们显然需要一点疯狂——不过不能太疯狂。互补性是非局部性的一个极端、合理但又自相矛盾的表述。另一方面,如果你认同量子力学并允许非局部性适用于黑洞,你就会遇到防火墙问题,但是你同时接受量子场理论在黑洞之外的任何地方都是有效的。有没有不那么疯狂的选择呢?我相信有,非局部性可以用“非暴力”的形式扩展到界限之外——我们可能会将这个界限描述为黑洞视界,并把量子信息传输出去。我说“可能会”,是因为把视界概念提到一个典型的时空画面,它很可能是完全错的。

我只想说:看起来,量子力学必须要修正,而且局部性有主要嫌疑。局部性的修改绝不是件小事。对局部性天真幼稚的修改——正如Edge的其他物理学家经常提议的那样——很可能从根源上导致量子场理论的整个框架灾难性地崩溃。量子场理论一直都能得到实验的支持,并且保持着极为精确的可验证性,这使得它已经成为我们解读这个世界最根本性的工具。如果这样的修正必须进行,事实上,它必须是巧妙的。还有,基于时空结构建立起来的物质世界也很可能彻底崩溃,取而代之的将是这样一个框架,在这个框架里,量子力学的数学结构浮出了水面。

我深切关注我们将如何获得一个完整一致的万有引力理论。而且我们必须这样做,它不只能解释黑洞(已发现在宇宙中它无处不在),还能解释宇宙早期膨胀和膨胀前的演变,以及暗能量主宰的未来。在当前基础上的困境直接牵连着很多其他问题——我比较担心我们是否有能力解决这些问题。