量子糾纏掉進(jìn)黑洞會(huì)發(fā)生什么？

1986年，阿根廷和英格蘭的世界杯四分之一決賽上，馬拉多納用左手把球打進(jìn)了球門。

裁判沒(méi)看見(jiàn)。

全場(chǎng)觀眾里，有人看見(jiàn)了，有人沒(méi)看見(jiàn)，有人不確定自己看沒(méi)看見(jiàn)。但球進(jìn)了，就是進(jìn)了，這個(gè)事實(shí)不會(huì)因?yàn)橛袥](méi)有人觀測(cè)到而改變。

馬拉多納后來(lái)把這個(gè)球叫做"上帝之手"。

我講這個(gè)故事，是因?yàn)樗昝赖匾隽私裉煲牡膯?wèn)題的核心矛盾：觀測(cè)，到底改變了什么？

如果換成物理學(xué)的語(yǔ)言，這個(gè)問(wèn)題會(huì)變得更加令人頭皮發(fā)麻：兩個(gè)量子糾纏的粒子，其中一個(gè)掉進(jìn)了黑洞，另一個(gè)留在外面。那個(gè)留在外面的粒子，還跟里面的那個(gè)有關(guān)聯(lián)嗎？

這是個(gè)聽起來(lái)很科幻的問(wèn)題，但它背后牽扯到兩個(gè)物理學(xué)家吵了幾十年都沒(méi)吵清楚的大問(wèn)題。今天我們把這兩個(gè)問(wèn)題都攤開來(lái)講。

先從黑洞說(shuō)起，講一個(gè)讓物理學(xué)家集體破防的事情。

根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，一個(gè)黑洞，不管它怎么形成的，不管吞了多少東西，從外部來(lái)看，它只有三個(gè)參數(shù)：質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量。

就這仨。其他的一概不知道，也不記錄。

你往里扔一本《紅樓夢(mèng)》，扔一顆鉆石，扔你的前任，還是扔整個(gè)圖書館，對(duì)黑洞來(lái)說(shuō)都一樣，全部消化，對(duì)外只報(bào)三個(gè)數(shù)字。

這就很有意思了。因?yàn)槲锢韺W(xué)還有另一條幾乎不可撼動(dòng)的規(guī)律：信息不能被消滅。

這條規(guī)律來(lái)自熱力學(xué)第二定律。很多人知道這個(gè)名字，但可能不知道它其中一個(gè)推論是：宇宙里的信息總量是守恒的。你可以把信息打散，打得面目全非，但你不能讓它從宇宙中徹底消失。

舉個(gè)栗子。你把一本書燒了，書沒(méi)了，但物理意義上那本書的信息還在。燒出來(lái)的煙、灰、熱量，都由原來(lái)書里的原子轉(zhuǎn)化而來(lái)。如果你能追蹤每一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，理論上你可以從這堆灰燼里反推出書里寫了什么。

所以燒書，信息沒(méi)消失，只是變得極其難以讀取。

但如果你把這本書扔進(jìn)黑洞呢？

黑洞說(shuō)：好的，質(zhì)量加一，其他我不管。

書里寫了啥？不知道。書是皮面還是布面？不知道。墨水是藍(lán)色還是黑色？不知道，也不在乎。

這就產(chǎn)生了一個(gè)巨大的矛盾：熱力學(xué)說(shuō)信息不能消滅，廣義相對(duì)論說(shuō)黑洞根本不記錄信息，把東西吃進(jìn)去就啥都沒(méi)了。

兩個(gè)物理學(xué)的頂梁柱，直接打架了。

這場(chǎng)架打到1970年代，貝肯斯坦和霍金坐下來(lái)想了很久，搞出了一個(gè)讓人既解氣又更加困惑的答案：黑洞的信息，藏在事件視界的表面上。

邏輯是這樣的。黑洞對(duì)外展示的雖然只有質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量，但這三個(gè)數(shù)字決定了事件視界的表面積。每當(dāng)一個(gè)粒子掉進(jìn)黑洞，黑洞稍微胖一點(diǎn)，表面積增加一點(diǎn)，那個(gè)粒子攜帶的信息就以某種方式被壓印在新增的那一小塊表面上。

存儲(chǔ)一個(gè)比特的信息，需要一個(gè)普朗克面積大小的空間，大約是10的負(fù)35次方米的平方。這個(gè)尺度小到你根本沒(méi)法想象，但黑洞的表面積是真的大，所以黑洞能存的信息量是天文數(shù)字，熵極其巨大。

好，信息有地方存了，問(wèn)題解決了？

沒(méi)有。

因?yàn)楹诙催€會(huì)蒸發(fā)。

霍金在1974年發(fā)現(xiàn)，黑洞不是永久存在的，它會(huì)極其緩慢地向外輻射能量，最終整個(gè)黑洞蒸發(fā)殆盡，這個(gè)過(guò)程叫霍金輻射。

問(wèn)題來(lái)了：存在事件視界表面的那些信息，隨著黑洞蒸發(fā)消失，到底去哪了？

理論上信息應(yīng)該被編碼進(jìn)輻射出來(lái)的粒子里。

但霍金輻射是純粹的熱輻射，就像燒紅的鐵塊發(fā)光一樣，完全是隨機(jī)的熱噪聲，根本看不出任何有意義的信息編碼。

這就是著名的黑洞信息悖論，物理學(xué)家到今天還沒(méi)搞清楚，吵了快半個(gè)世紀(jì)了，還在吵。

好，信息這條線我們擱在這里，先去講量子糾纏。

很多人對(duì)量子糾纏的理解是科幻版本的，跟真實(shí)的量子糾纏差了十萬(wàn)八千里。科幻版本大概是這樣：兩個(gè)粒子糾纏在一起，你測(cè)量其中一個(gè)，瞬間就能知道另一個(gè)的狀態(tài)，不管它們相距多遠(yuǎn)，信息瞬間傳達(dá)，比光速還快。

這個(gè)描述聽起來(lái)很帥，但它是錯(cuò)的。

真實(shí)的量子糾纏是這樣的：兩個(gè)粒子通過(guò)某種相互作用產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，它們的量子狀態(tài)被綁定在一起。在你測(cè)量之前，這兩個(gè)粒子都處于疊加態(tài)，狀態(tài)本身是不確定的，不是"我們不知道它的狀態(tài)是什么"，而是"它根本就還沒(méi)有確定的狀態(tài)"。

這是量子力學(xué)里最讓人不適應(yīng)的地方，也是當(dāng)年讓愛(ài)因斯坦破大防說(shuō)出"上帝不擲骰子"那句話的根源。愛(ài)因斯坦覺(jué)得這不可能是真的，背后一定有某種隱變量在控制，只是我們看不見(jiàn)。

但后來(lái)的實(shí)驗(yàn)打了愛(ài)因斯坦的臉。2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是頒給了證明"隱變量不存在"的那批人。量子力學(xué)就是這么運(yùn)作的，粒子的狀態(tài)在被測(cè)量之前真的是不確定的，不是我們沒(méi)測(cè)到，而是它本身就沒(méi)確定下來(lái)。

所以正確理解量子糾纏是這樣的：你測(cè)量糾纏對(duì)中的一個(gè)粒子，得到了它的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候你對(duì)另一個(gè)粒子的狀態(tài)能做出比純猜測(cè)更準(zhǔn)確的預(yù)判，但不是百分之百準(zhǔn)確，永遠(yuǎn)在50%到100%之間，達(dá)不到100%。

你想知道另一個(gè)粒子的準(zhǔn)確狀態(tài)，你得實(shí)際去測(cè)量它，然后把兩邊的結(jié)果合在一起比對(duì)。沒(méi)有任何超光速通信，沒(méi)有瞬間傳遞信息。糾纏只是讓兩邊的測(cè)量結(jié)果之間存在一種微妙的關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)在統(tǒng)計(jì)意義上可以被檢驗(yàn)，但單次測(cè)量你感知不到。

還有一件事很重要：量子糾纏極其脆弱。

地球上維持糾纏狀態(tài)難到離譜，因?yàn)榈教幎际瞧渌Ｗ釉陲w，光子、中微子、帶電粒子，即便是實(shí)驗(yàn)室里最好的真空環(huán)境也一樣。任何一次足夠強(qiáng)的量子相互作用，都可以破壞糾纏。一旦粒子的狀態(tài)被"測(cè)量"、被"確定"、被"強(qiáng)制"到某個(gè)特定狀態(tài)，糾纏就斷了，從那一刻起兩個(gè)粒子各走各的路，再無(wú)關(guān)聯(lián)。

好，現(xiàn)在兩條線都鋪完了，把它們合在一起。

假設(shè)有兩個(gè)互相糾纏的粒子，一個(gè)掉進(jìn)了黑洞，一個(gè)逃出來(lái)了。

站在黑洞外面的我們，只能接觸到那個(gè)逃出來(lái)的粒子。我們可以測(cè)量它的某個(gè)屬性，比如自旋方向，向上還是向下。測(cè)量完之后，基于糾纏的關(guān)聯(lián)，我們對(duì)掉進(jìn)黑洞的那個(gè)粒子的狀態(tài)能做出超過(guò)50%準(zhǔn)確率的預(yù)測(cè)。

但這里有一個(gè)要命的問(wèn)題。

你怎么驗(yàn)證這個(gè)預(yù)測(cè)是對(duì)的？

你得去測(cè)量那個(gè)掉進(jìn)黑洞的粒子的實(shí)際狀態(tài)，然后跟你的預(yù)測(cè)對(duì)比，才能知道糾纏是否還在。

但它在黑洞里面。你根本進(jìn)不去，也看不到。

所以從原則上講，我們永遠(yuǎn)無(wú)法從外部驗(yàn)證糾纏是否穿越了事件視界而存活下來(lái)。

這里有個(gè)理論說(shuō)糾纏一定斷了，叫AMPS防火墻假說(shuō)。

這個(gè)理論認(rèn)為，在黑洞事件視界的附近，存在一圈高能量子組成的"防火墻"，就像一堵燒得通紅的墻。任何東西穿越事件視界的時(shí)候都必須穿過(guò)這堵墻，穿過(guò)去的過(guò)程中，粒子會(huì)跟防火墻上的高能量子發(fā)生劇烈相互作用，量子狀態(tài)被完全確定下來(lái)，糾纏就此斷絕。

如果這是真的，那那個(gè)掉進(jìn)黑洞的粒子在穿越事件視界的瞬間就已經(jīng)跟外面的粒子解綁了，我們對(duì)外面那個(gè)粒子做的任何測(cè)量，都只是在測(cè)量一個(gè)普通粒子，跟里面的沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)。

但AMPS防火墻假說(shuō)本身就建立在幾個(gè)假設(shè)上，包括等效原理、幺正性、量子場(chǎng)論在極端條件下的適用性，以及定域性。其中定域性是說(shuō)任何信號(hào)和事件只能影響它過(guò)去和未來(lái)光錐以內(nèi)的東西。

問(wèn)題是，在很多量子引力的理論框架下，定域性并不是嚴(yán)格成立的。如果定域性不成立，防火墻就不一定存在，糾纏就可能完好地穿越事件視界繼續(xù)保持。

所以目前的狀態(tài)是：我們不知道防火墻在不在，因此我們不知道糾纏到底斷沒(méi)斷。

你可能想問(wèn)，那能不能做個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一下？

能，理論上能。但操作起來(lái)會(huì)讓你想哭。

你要先制造兩個(gè)糾纏粒子，讓一個(gè)掉進(jìn)黑洞，另一個(gè)留在外面。測(cè)量外面這個(gè)的量子態(tài)，然后想辦法搞清楚掉進(jìn)去那個(gè)粒子的信息是怎么壓印到事件視界表面的，再搞清楚那些信息是怎么被編碼進(jìn)霍金輻射里的，然后守在旁邊等黑洞蒸發(fā)完，把所有輻射出來(lái)的粒子收集起來(lái)解碼，最后重復(fù)足夠多次，在統(tǒng)計(jì)意義上判斷糾纏是否真的穿越了事件視界。

前三步還好說(shuō)，難度不算大。

但后面幾步難到?jīng)]邊。首先我們根本不知道信息是怎么編碼進(jìn)霍金輻射的，這是黑洞信息悖論的核心，幾十年沒(méi)解決。其次就算你知道了怎么解碼，一個(gè)質(zhì)量跟太陽(yáng)差不多的黑洞，完全蒸發(fā)掉需要大約10的67次方年。

宇宙現(xiàn)在的年齡才138億年，也就是大約10的10次方年。

10的67次方是個(gè)什么概念？你把138億年寫成數(shù)字，再在后面加57個(gè)零，差不多就是這個(gè)數(shù)。

所以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這件事，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，幾乎不可能直接做到。科學(xué)家在想有沒(méi)有可能用實(shí)驗(yàn)室里的黑洞模擬裝置來(lái)間接驗(yàn)證，但模擬終究是模擬，能不能完全等價(jià)于真實(shí)的黑洞，這本身就是一個(gè)需要驗(yàn)證的問(wèn)題。

所以最終答案是什么？

不知道。

量子糾纏能不能在黑洞的事件視界下存活，目前在理論上沒(méi)有定論，在實(shí)驗(yàn)上無(wú)法驗(yàn)證。物理學(xué)家的主流傾向是認(rèn)為信息是守恒的，糾纏應(yīng)該以某種形式保留下來(lái)，但"應(yīng)該"不等于"證明了"。

這就是物理學(xué)最迷人也最折磨人的地方。有時(shí)候你站在一個(gè)問(wèn)題面前，能清楚地看到它的輪廓，能感覺(jué)到答案就在某個(gè)角落等著你，但你就是夠不到。

不是能力不夠，是宇宙給的時(shí)間和工具，還不夠用。

馬拉多納那個(gè)球，上帝知道是不是他的手打進(jìn)去的。

但宇宙里還有很多問(wèn)題，連上帝現(xiàn)在可能也還不知道答案。