神秘的邊界

黑洞的事件視野是一座通往無處的橋樑，這是通向從宇宙其餘部分切斷的無處不在的門戶。

了解關鍵邊界上發生的事情可能會揭示從大爆炸的瞬間塑造宇宙的隱藏影響。

如今，某些物理學中最好的頭腦已固定在活動視野上，思考到達黑洞的懸崖時，假設的宇航員和亞原子顆粒會發生什麼。危險是將經過良好測試的一般相對論和量子力學理論統一到量子重力的超級理論的近100年的追求。

但是，事件視野不僅僅是思想實驗或合併物理理論的工具。這是宇宙的一個非常真實的特徵，宇宙是宇宙建築的一個關鍵部分，它塑造了恆星和星系的演變。明年，地球大小的望遠鏡很快就可以使我們第一次發現陰暗的深淵的邊緣（參見側邊欄）。

通過通過理論和觀察來研究事件視野，科學家很快就可以弄清楚宇宙是如何開始的，它是如何發展的，甚至預測了其最終命運。他們還能夠回答一個關鍵問題：一個人會像麵條一樣伸展和扁平，像麵條一樣扁平，死於意大利面，還是被焚化？

引力陣風

科學家們很久以前就考慮了黑洞和事件視野的可能性。 1783年，英國的地質學家和天文學家約翰·米歇爾（John Michell）考慮了牛頓在重力和光線方面的工作，發現，從理論上講，一顆陽光的1.25億次陽光的明星將有足夠的引力振盪，以吸引任何試圖逃脫的物體，即使是一個以輕速行駛。

儘管恆星永遠無法達到那麼多的質量，但阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）1916年的相對論一般理論將米歇爾（Michell）關於超級質量物體的直覺置於堅實的理論基礎上。那年晚些時候，德國天文學家卡爾·施瓦茨（Karl Schwarzschild）使用一般相對論表明，有些恆星可以在自己的重力下崩潰，並在時空結構中產生深坑。包括光在倒塌的恆星中心一定距離之內在內的任何東西都永遠不會出來。沒有回報的點被稱為事件視野。

幾十年後，確認存在黑洞。 1974年，科學家發現了大約26,000光年的銀河系中心發出的大量無線電波。他們最終得出結論，那裡必須有一個黑洞。如今，天文學家知道，幾乎每個星係都在其中心擁有一個巨大的黑洞，塑造了數百萬恒星，甚至相鄰的星系，具有巨大的引力影響。星系還包含數百萬個中小型黑洞，每個孔都有一個事件範圍的過去，從未再看到過光。

但是黑洞極端重力的影響最終導致了20世紀物理學的基石之一：量子力學。麻煩始於1970年代中期，劍橋大學物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出黑洞並非永恆。在迄今為止的未來，當黑洞幾乎吞噬了宇宙中的所有物質，幾乎沒有其他東西可以消耗時，能量應該慢慢從他們的活動視野中洩漏出來。現在稱為霍金輻射的能量應繼續滲出，直到每個黑洞完全蒸發。

霍金很快意識到了他的提議的巨大後果。他在1976年引起混亂的論文中解釋說，如果一個黑洞最終消失了，那麼有關所有粒子掉入其中的顆粒的所有信息也應該消失。這違反了量子力學的中心宗旨：無法破壞信息。物理學家可以接受黑洞中所有顆粒的所有特性都被鎖定了，對於黑洞的事件視野外，人們永遠無法訪問。但是，如果沒有痕跡，他們不滿意。斯坦福大學理論物理學家倫納德·蘇斯肯德（Leonard Susskind）說：“這違反了我對量子力學的了解。”他在1981年的一次會議上聽到了霍金的想法。

違反理論

蘇斯金德（Susskind）挖掘了這個黑洞信息悖論，到本世紀之交，他認為自己已經通過稱為互補性的提議解決了這一問題。從本質上講，他認為信息可以同時越過事件的視野，並且永遠不會越過活動視野，只要沒有一個觀察者在兩個地方都能看到它。

如果一個粒子掉入一個黑洞中，那麼一名宇航員落在旁邊，當兩者都在活動視野中並進入黑洞的內部時，都不會發生任何特別的事情。但是，另一名從外面看的宇航員永遠不會看到他的朋友或粒子經過事件地平線。從他的角度來看，粒子會危險地靠近地平線，但永遠不會越過它。最終，隨著黑洞蒸發，也許是一萬億萬億年後（思想實驗中的宇航員具有顯著的壽命），黑洞外的宇航員將看到與插圖粒子相關的鷹輻射。

Susskind的解釋不是直覺的，但至少它很優雅。對於兩個觀察者，都保留信息（SN：9/25/04，p。 202）。另外，外部宇航員只需通過監視事件視野，就可以將所有掉入廣闊黑洞內部的所有東西都拼湊在一起。這個想法是由新澤西州普林斯頓州普林斯頓州高級研究所的胡安·馬爾達納（Juan Maldacena）提出的，被稱為全息原理：就像二維全息圖可以描繪出一個三維物體一樣，黑洞的表面在理論上揭示了其中的所有內容。 （（故事繼續以下圖形）

麵食還是燒烤？

但是在2012年，聖塔芭芭拉（Santa Barbara）包括加利福尼亞大學的約瑟夫·波爾欽斯基（Joseph Polchinski）在內的四重奏，聖塔芭芭拉（Santa Barbara）重新點燃了黑洞信息悖論，證明在解決一個問題時，Susskind和Maldacena創造了另一個問題。該問題集中在另一個稱為“糾纏”的量子力學方面，該機制將多個粒子的特性交織在一起，而不管它們之間的距離如何。 Susskind和Maldacena的互補性依靠糾纏來保存信息。隨著提案的進行，鷹輻射的顆粒彼此相關，以便隨著時間的流逝，觀察者可以測量輻射並將黑洞內部的東西拼湊在一起。

在另一個思想實驗中，Polchinski和他的團隊思考瞭如果在Black Hole的活動Horizo​​n附近只有一對糾纏的顆粒之一，那將會發生什麼，而另一個則逃脫了Hawking Radiation。根據互補性，逃脫的粒子也必須與另一個鷹粒子糾纏。但這是量子力學中的禁忌：彼此糾纏在黑洞外的粒子也不能與黑洞內的顆粒糾纏在一起。物理學家稱這種禁止安排糾纏一夫多妻制。

有問題的糾纏

為了糾正這種違反量子理論的行為，波爾欽斯基的團隊將其思想進一步進行了一步，並嘗試切斷跨越事件視野的糾纏。結果：在事件視野中形成的不可穿透的能量牆，焚化並關閉任何試圖通過的大小物體。他們稱這個無情的邊界為防火牆。

不幸的是，儘管防火牆會按照量子力學的規則發揮作用，但它會違反愛因斯坦的一般相對論。愛因斯坦認為，宇航員在越過活動視野時不應該注意到任何不尋常的東西。實際上，他甚至不應該知道自己已經越過了，直到後來，當他開始被黑洞內部的極端重力開始被斑點化或像麵條一樣伸展，並意識到即使是輕速的逃生嘗試也不好。另一方面，防火牆會提供一個非常明顯的暗示，即宇航員已經到達了活動地平線：他會立即炸。如果存在防火牆，則一般相對性需要調整。

這個防火牆問題再次使人們對量子力學的一般相對論提出了相對論，這引發了人們對事件視野中發生的奇怪物理學的新興趣。波爾欽斯基說：“我什至看不到解決問題的好框架。”

天文賭注

這些思想實驗似乎是學術的，但是含義遠遠超出了少數幾個粒子的命運。事件視野似乎是將一般相對論和量子力學結合到統一的量子重力理論中的最佳理論測試床。哥倫比亞大學巴納德學院（Barnard College）的天體物理學家詹娜·萊文（Janna Levin）說：“基本物理學的最後一個邊界是量子重力。” “這個難題為我們提供了觀看關鍵要素的機會。”

物理學家難以發展量子重力理論，因為與宇宙的其他三種力（強，弱和電磁主義）相比，重力是可悲的。這是唯一在量子物理學主導的小尺度上可以忽略的力。對量子重力理論的追求在最近在時空中發現漣漪的歷史可追溯到僅10之後獲得了額外的意義。^-36宇宙出生後的幾秒鐘（SN：4/5/14，p。 6）。在大爆炸之後不久，了解宇宙是一個了不起的成就，但是在幾萬億美元的一萬分之一一秒鐘中，發生了許多有趣的事情，然後那些漣漪卻在嬰兒宇宙中脫穎而出。

萊文說，如果物理學家一直可以追溯到宇宙的開頭，他們將不得不了解宇宙在同時又大且令人難以置信的大規模時的表現。弄清楚這一點的最佳方法是通過揭開另一個緊湊，龐大的環境：黑洞來製定量子重力理論。麻省理工學院大草原天文台的天文學家謝潑德·多伊爾曼（Sheperd Doeleman）說：“事件視野是重力開始進入自己的地方。” “它剝奪了克拉克·肯特（Clark Kent）的西裝訴訟，並開始變得像其他力量一樣強大。”

由於危在旦夕，許多著名的物理學家正在加緊努力，將一些有趣的想法投入到混合中。

全明星陣容包括霍金。在一個簡短的，神秘的一月發布給物理預印式服務器arxiv.org中，他建議事件視野並不是近一個世紀前Schwarzschild提出的無回報的點。霍金認為，如果事件的視野偶爾允許在黑洞內逃脫，則不必存在防火牆。儘管霍金的評論成為頭條新聞，但他的文章包含誤導性短語“沒有黑洞”並沒有傷害 - 沒有人能確定黑洞的智者會想到什麼。斯德哥爾摩北歐理論物理研究所的宇宙學家薩賓·霍森費爾德（Sabine Hossenfelder）說：“人們想知道霍金的想法。” “但是實際上，他的論文對我沒有用。”她希望霍金（Hawking）發表一份綜合論文，解釋他的論點及其背後的推理。

斯坦福量子物理學家帕特里克·海登（Patrick Hayden）的想法類似於互補性。他同意Polchinski團隊提出的論點，但建議單個觀察者確定粒子從事糾纏一夫多妻制將是極其困難的。實際上，他說，一個人要花這麼長時間才能實驗驗證黑洞已經蒸發。再次可能發現，允許存在黑洞信息悖論，原因是沒有人可以檢測到它的簡單原因。

最可能的範式轉移想法來自Susskind和Maldacena的頑強的二人組。他們通過將糾纏（量子力學的令人難以置信的方面）與蟲洞的帶狀質量概念相結合來解決防火牆問題。蟲洞是時空的捷徑，這相當於通過隧道越過山，而不是爬過山。根據Susskind和Maldacena的說法，每對糾纏的顆粒都被一個蟲洞連接在一起，大大縮短了它們之間的距離。 （（故事繼續以下時間表）

黑洞理論的進化

他們說，將其應用於事件範圍，說鷹輻射的個別顆粒通過蟲洞連接到黑洞的內部。該提案通過將糾纏變成時空而不是神秘的長途鏈接來消除對防火牆的需求。從本質上講，事件視野內外的粒子變為同一。

蘇斯肯德（Susskind）和馬爾達辛納（Maldacena）的提議雖然非常瘋狂，但仍在努力樂觀。 “作為物理學家，我們經常依靠我們的嗅覺來評判科學思想，”加州理論的物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）在他的博客上寫道量子前沿。 “起初，[蟲洞的提議]可能會聞起來新鮮和甜，但必須在架子上成熟一會兒。”如果Susskind和Maldacena是正確的，則意味著量子力學不僅決定了很小的尺度上的顆粒行為，還決定了宇宙的大規模結構。蘇斯金德說：“糾纏創造了將空間固定在一起的鉤子。”

在蘇斯金德的腦海中，這就是活動視野的美。防火牆提議他肯定是錯誤的，但還不能解釋為什麼可能是揭開宇宙大謎的門票。也許互補性，蟲洞或斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）袖子上的神秘機制會同時糾正黑洞信息悖論並提供量子引力理論。蘇斯肯德說：“有時會出現衝突，並完全改變我們對事物的看法。” “這個防火牆的故事可能是其中之一。”

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圖片完美

關於假設的宇航員和糾纏顆粒的所有討論，很容易忘記黑洞是宇宙中的實際物體。辯論是要伸展還是燃燒，這可能是辯論，但是毫無疑問，在整個宇宙中，氣體和灰塵量都在整個黑洞的範圍內流動。

天文學家之所以知道這一點，是因為儘管沒有光無法逃脫事件的視野，但許多黑洞還是很容易檢測到的。隨著黑洞捲軸在氣體和灰塵中的超級重力，事件視野附近出現了交通擁堵。隨著物質撞擊其他物質，它會加熱並發光，發射X射線和其他高能輻射。麻省理工學院的Sheperd Doeleman說：“黑洞正坐在數十億度汽油的發光湯中。”有時，在集中噴氣式噴氣式飛機中，所有灼熱的氣火箭都遠離黑洞，這些噴氣式會導致超過一百萬光年。

Doeleman說，天文學家不確定為什麼有些星系的黑洞是狂熱的食客，閃閃發光，而另一些則顯得黑暗和不活躍。銀河系的中央黑洞重量是太陽質量的400萬倍，相對休眠。天文學家一直希望他們能在明年看到當地的黑洞亮起，因為一個稱為G2鞦韆的大氣雲危險地接近其事件範圍（SN：8/24/13，p。 9）。

Doeleman具有更大的野心。他領導了一支計劃直接對銀河系中央黑洞的活動視野進行成像。這很難做到：實際上，它需要一個像地球大小的望遠鏡。

因此，明年，Doeleman和他的同事們將公佈大小的望遠鏡。

事件範圍望遠鏡是專門為監視黑洞結構而設計的第一台儀器，結合了多個射電望遠鏡，以實現與單個望遠鏡相等的分辨率（（SN：10/9/10，p。 22）。今年，Doeleman將前往世界上最強大的射電望遠鏡網絡智利的Atacama大毫米/亞毫米陣列，以安裝非常精確的原子鐘，這將使研究人員可以將研究人員與智利望遠鏡的數據相結合，並將其與Hawaii，Hawaii，Hawaii，Spain和South Pole的觀測值組合。

如果一切順利，最早在明年，一個具有地球大小的無線電菜餚敏感性的虛擬望遠鏡將提供圓形陰影周圍的熱氣環的圖像：黑洞的核心，由事件視野界定。 Doeleman說：“我們已經為此努力了十年。” “如此親密的人令人振奮。”

理論家對巨大範圍並不那麼興奮。畢竟，地球望遠鏡無法放大單個粒子並解決信息悖論。但是，也許照片會提供一些靈感。他們第一次能夠很好地看一下這個神秘的邊界，這使他們感到困惑了這麼長時間。 - 安德魯·格蘭特（Andrew Grant）