本文快速介绍了
黑洞中信息消失的
悖论 。 为了简洁起见，省略了一些细节。 另外，应该指出的是，当前对该问题的理解是如此混乱，以致该文章的最后部分不能被认为是可靠或稳定的。
图 1个两种相互矛盾的理论
人们相信，量子理论的数学，有时也称为“量子力学”，支配着自然界中的所有物理过程。 它不能用于预测特定事件，而只能用于获得发生某些事件的可能性。 但是，只有将所有不同可能结果的所有概率相加并得到等于1的概率，概率才有意义。 并非如此的量子理论是没有道理的。 其结果之一是，在量子理论中，信息永远不会真正丢失或复制。 原则上，您始终可以确定系统从何处启动（其初始状态），并获得有关其完成情况的完整信息（最终状态）。 在图。 图1示出了两个粒子的碰撞以及几个粒子以碰撞形式逃避了碰撞，这些粒子以加密形式携带了关于两个原始粒子的性质和特性的信息。
广义相对论是爱因斯坦的引力理论，在引力理论中，引力可以看作是时空曲率的影响。 GR不是量子理论。 她准确地预测了将会发生什么，并且没有给出不同结果的可能性。
从1915年到1958年，逐渐形成了一种理解，即极其紧凑和巨大的物体变成黑洞。 在它们附近，引力变得异常强大-时空极大地扭曲了，任何距离它们太近并穿过黑洞视界的物体（无法返回的表面）都无法逃脱。 在图。 图2显示了当两个物质壳变得足够紧凑时，黑洞视界的形成。 有关这两个壳的信息在地平线内移动而不能向外部移动（在GR中）。
图 2请注意，不可能正确绘制黑洞及其内部的信息。 我的插图无法证明时空的曲率。 例如，为了完全理解，您需要考虑到黑洞内部的时钟与地平线之外的时钟完全不同，后者又不会像远程时钟一样。 不要太重视我的插图，这只是问题的概念性而非技术性。
地平线不是物体，而是无法逃脱的地方。 众所周知的类比是沿着加速的溪流驶向瀑布的船。 当船通过不返回弯道时（图3），其电动机将无法抵抗潮流，并且不可避免地会掉落。 但是船长并不会注意到弯道穿过的那一刻-这只是河流的普通部分，只有当船长设法避免灾难时，其重要性才会变得清晰。 同样，跨越GR的视野，您将不会注意到任何事情； 只有当您尝试避开黑洞时，您才会发现-哦-您离得太近了。
图 3黑洞中信息消失的悖论
1974-1975年霍金之后出现的悖论表明，被量子场包围的黑洞将发射粒子（霍金辐射）并收缩（图4），其结果将蒸发。 与图比较。 2，其中有关两个壳的信息粘贴在黑洞中。 在图。 4个黑洞消失了。 信息去哪儿了？ 如果它与黑洞一起消失，则违反了量子理论。
图 4：1）物质的壳被压缩； 2）形成地平线，并出现霍金辐射（呈无质量或小质量的粒子形式，例如光子，中微子或引力子）； 3）霍金辐射带走能量，使黑洞的大小和质量缩小； 4）最后，黑洞完全消失，仅留下霍金辐射。 简而言之，落入黑洞的信息消失了，这违反了量子理论的原理。 有必要改变量子理论吗？也许这些信息随霍金辐射一起返回？ 问题在于信息无法从黑洞中逃脱。 除了复制里面的东西，她无法进入霍克尼格的视野。 但是拥有两份信息，一份在里面，一份在外面，也违反了量子理论。
图 5：如果将信息复制到霍金辐射中，则违反了量子理论。当然，问题的关键可能在于量子理论是不完整的，黑洞的物理学迫使我们扩展它，因为爱因斯坦用相对论扩展了牛顿定律。 这就是霍金所信奉的三十年。
互补原理：保存量子理论
但是，其他人则认为，需要改变的不是量子理论，而是广义相对论。 1992年，提出了“互补原理”，据此，信息在某种意义上在内部和外部都没有违反量子理论。 该假设是由Sasskind和他的年轻同事们提出的。 具体来说，留在黑洞外面的观察者会看到信息如何在地平线上积累，然后随着霍金辐射飞走。 观察者跌入黑洞，看到里面的信息（图6）。 由于这两类观察者无法交流，因此不会出现悖论。
图 6：互补原则说，一切都取决于观点。 外面的观察者（2a）看到外面存储的信息，并且（3a）传输到霍金辐射。 朝内的观察者（2b）看到内部的信息。但是，此假设可能在内部存在矛盾，并且需要一些奇怪的事实才能成立。 其中之一就是所谓的“全息术”，这是由't Hooft，然后是Sasskind提出的。 这个想法是，可以通过神秘的变换将重力显然在其中起作用的黑洞的三维内容的物理学考虑为物理原理，因为它直接位于二维视界上方，由二维方程式描述，根本不存在重力！
图 7：有趣的是，有可能通过其外部描述黑洞的内部；这在1990年代末和2000年代初就表现出来了。 在某些情况下，包含GR量子形式的弦论可以做到这一点。奇怪的是，至少在某些情况下，这种理论在1990年代后期得到了实质性的证实。 1997年，马尔达塞纳（Maldacena）建议（数百人以不同的方式测试了这个假设），在某些条件下
，弦论 （GR的量子泛化，是我们宇宙自然法则的候选者）等效于没有引力且程度较小的量子理论（具体来说是
量子场论 ）。测量次数。 这种关系称为AdS / CFT或“字段/字符串匹配”，值得单独撰写。
全息术的成功增强了人们对互补原理真理的信念。 此外，场/弦的对应关系使我们很有说服力地表明，在弦论中可以通过相应的量子场论描述的过程中形成并蒸发出小黑洞（尽管没有详细介绍）-因此，与其他过程一样，该过程也是如此量子理论中的过程伴随着信息的保存而发生！ 到2005年，甚至霍金也接受了这种观点-正如互补原理所假定的那样，信息不会在黑洞中丢失，并且必须改变遗传资源，而不是量子理论。
防火墙和当前混乱
但是，原则上是互补的。 黑洞的蒸发是如此之慢，以至于在量子理论中没有方程式描述该过程。 在寻找这些方程式时，Almheiri，Morolf，Polchinski和Sally发现，在合理的假设下，互补原理包含一个内部矛盾，该矛盾在黑洞大约蒸发一半时就显现出来。 该证明非常棘手，其中包括量子纠缠，爱因斯坦称其为“蠕变”，并在量子计算机中使用。 粗略地说，在过程的中间，通过霍金辐射从黑洞中消失了太多的信息，以至于不足以使用全息术在地平线上显示黑洞的内部。 因此，如图6所示，观察者不会从内心平静地跌落穿过无害的地平线，而不会发现任何内部，而且非常辛苦-他会油炸 直接悬在地平线上方的防火墙（防火墙）（图8）。
图 8防火墙的可能性将要求GR发生巨大变化。 在真相的情况下，事实证明，GR中黑洞的描述具有较大的内部体积，其地平线仅表示不返回点（如图3所示），而不是发生某些特殊情况的特殊地方。黑洞完全蒸发后完全错误。
因此，悖论又回来了！ 甚至更糟。 事实证明，如果量子理论和互补原理是正确的，则GR不应部分改变-必须认真重做！ 并且在弦论中没有观察到这种改变的迹象，这提供了全息照相的例子。 但是场/弦的对应关系表明，量子理论可以描述黑洞的形成和蒸发，因此信息不会消失。 互补原则可以用任何东西代替吗？ 还是任何引起悖论的论点是错误的？
每个人都很困惑。 有许多解决这个难题的建议。 他们中的大多数都无法联系到您。 媒体向您介绍霍金是因为他很有名，但是他只是讨论不同想法的众多声音之一。 所有这些想法都遭受一个问题：缺少方程式来证明和解释它们如何工作的细节。 而且由于缺乏方程式导致了防火墙的悖论，因此人们很难摆脱这种局面，只能依靠另一种假设，即方程式数量不足！
但是，尽管霍金只是众多提议者之一，并且尽管他的假设中方程式不足，但它很可能是不完整的，甚至可能是不正确的-您可能想知道他的建议。 没有方程式很难理解这一点，但是这就是我可以解释的方式（图9）。 霍金指出，尽管黑洞的外部很快得到了简化，但它们的内部却非常复杂。 诸如天气之类的复杂系统显示出混沌的性质，即使在使用量子理论之前，也可能使它们变得不可预测。 他认为这种复杂性破坏了视界的稳定性，并允许黑洞内部加密的信息泄漏出去。 由于这将违反霍金关于广义相对论的定理，因此我认为这意味着必须改变广义相对论。 并且由于他的假设是基于AdS / CFT（字段/字符串匹配）的，所以我认为他认为这应该发生在字符串理论中。 而且由于进入黑洞的东西仍然是从黑洞出来的，所以这些黑洞并不是真正的黑洞-因此称它们为“灰洞”或“可衡量的引力状态”或“乍看之下是黑洞”。 “-但”黑人”可能不是正确的用语。
图 9：我向霍金道歉，因为我和圈子中的任何人都不知道他的意思。 因此，我不得不对他认为要提出的建议进行粗略的概述。但是，此提议存在许多明显的问题，其中最重要的一点是，防火墙的奥秘已经出现在半蒸发的黑洞中，而不是出现在使用寿命的尽头。 因此，当信息已经开始泄漏时，黑洞仍然足够大，并且很难与霍金的提议保持一致。 因此，不要等待就霍金的提议达成共识，尤其是在没有任何具体方程式需要解决的情况下。
无论如何，您所学到的关于黑洞的一切基本上都是正确的。 天体物理学家无需担心他们对恒星或银河黑洞的了解会发生变化。 至少对于较大且不是很旧的黑洞，霍金的提议不会导致任何可衡量的变化。 而且，如果您掉进一个洞，您仍然无法脱身，或者向外面的人发送消息。 因此，即使事实证明不存在严格的黑洞，在宇宙中几乎每个星系的中心仍将存在一个“足够黑”的洞。
不要期望这个已有40年历史的难题会很快得到解决。 最有可能的是，她的决定将由一些年轻的物理学家做出，您可能对此一无所知，甚至是未出生的人。