汪诘｜黑洞史话 18：AMPS挑起的新战火

引子

2025.12.12

作为探索“黑洞”这趟旅程的向导，我必须坦白，物理学的前线战场远比我们想象的更富戏剧性。你以为一场旷日持久的“战争”已经以英雄的胜利告终？不，那可能只是中场休息时燃放的烟花，真正的颠覆，往往潜伏在共识之下……

胜利的宣言与未完的战争

2008 年，萨斯坎德出版了《黑洞战争》这本书，在书的末尾，他带着胜利者的欣喜，调侃式地写道：黑洞战争已经结束，我这样讲可能会使很多还在为此战斗的人感到沮丧。

SUSSKIND, Leonard.《黑洞战争》初版

他万万没有想到，就在他写下这句话的 4 年后的 2012 年，阿尔姆海里（Ahmed Almheiri）、马洛夫（Donald Marolf）、波尔钦斯基（Joseph Polchinski）和萨利（James Sully）这四位物理学家一起撰写了一篇论文，就像是一颗扔向保皇派庆功宴的炸弹，黑洞战争并没有结束，战火重新燃起。

为了让你充分理解这场新的战役，我要把时钟拨回到 1993 年 6 月 21 日。

那是加州圣巴巴拉最迷人的季节，阳光穿过桉树叶的缝隙，斑驳地洒在卡弗里理论物理研究所（KITP）的红瓦屋顶上。太平洋的海风裹挟着特有的咸湿和花香，吹拂着研究所那著名的长廊。然而，对于聚集在这里的几十位物理学家来说，窗外的美景并不存在。会议室里的空气，凝重得仿佛能拧出水来。

这是一场关于黑洞与弦理论的顶级研讨会，几十位与会者从全世界各地齐聚圣芭芭拉。在这间屋子里，你能看到那个时代最聪明的大脑，他们包括早已名满天下的斯蒂芬·霍金，歪在轮椅上，眼神中透着让人捉摸不透的深邃；诺贝尔奖得主、也就是我们之前提到的“保皇派”主将杰拉德·特·胡夫特，正默默地坐在角落里，像一尊沉思的雕像；还有那位后来成为量子计算领军人物的约翰·普雷斯基尔，手里转着笔，神情严峻。当然，还有保皇派的另一位主将伦纳德·萨斯坎德。

黑洞互补原理：一个精妙的哲学解答

这次会议开了 5 天，各种思想和理论在这里交锋。不出意外，这次会议上争论最为激烈的就是黑洞信息悖论。

以霍金为代表的革命派坚信黑洞就是宇宙终极碎纸机，它会吞噬一切信息。而以胡夫特和萨斯坎德为代表的保皇派，则坚守着神圣不可侵犯的量子力学中的幺正性，认为信息不可能被毁灭。

保皇派的核心观点是，当一个宇航员掉入黑洞时，宇航员自己会认为自己掉进去了，而一个外部观察者则认为宇航员永远也不会全部掉进去，只会被拍扁在黑洞的表面。这件事情处处透着怪异，宇航员或者说信息到底有没有掉进去呢？

就在这次会议上，萨斯坎德非常严肃认真地回答了这个问题，他说：同一个信息，可以同时出现在两个地方，只要没有一个人能同时看到它们。

莱昂纳德·萨斯坎德

这被萨斯坎德称为“黑洞互补原理”，他借用的是玻尔在量子力学中提出的互补原理的命名方法。那么，到底该如何理解这个听上去如此违反直觉，但竟然赢得了众多物理学家信服的黑洞互补原理呢？萨斯坎德是这么解释的：

请大家回想一下你们第一次听到光的波粒二象性时的感受，是不是也觉得难以理解，一样东西怎么可能既是粒子又是波呢？粒子是一些占据了一定空间位置的微小客体，它可以从一点移动到另一点。为了描述它们的运动，我们必须确定它们的移动速度以及它们移动的方向，这些都是客观存在的。而波，则是一群粒子做有规律运动时，所表现出来的能量传递，它本质上并不是一个微小的客体自身在移动。它怎么能既是粒子又是波呢。

玻尔用它的互补原理把这个反直觉的状态给说清楚了。波尔指出，波粒二象性用精确的语言来说，并不是既是又是，而应该用“或是”这个词。应该这么表达，光子或是粒子，或是波。什么时候是粒子，什么时候是波，关键看我们用怎样的测量方式。

“粒子”和“波”都是描述光子状态的物理概念，这两个概念是互补的，只有把它们拼合在一起，才能完整地描述光子的状态。但是请特别注意一点，这里说的是，光子在某些实验中光表现得像一群粒子，而另一些实验中则表现得像波。并没有一个实验中，光子同时会表现出两种特性。

如果你用测量波的方法去测量，会到一种结果，而如果用测量粒子的方法去测量，又会得到另一种结果。但是不要在测量粒子特性的时候尝试去测量其波的特性，这两种特征不可能同时测到。所以，对于一个光子来说，单单用波还是单单用粒子去描述，都不是光的完备描述，必须用波和粒子两种互补的状态去描述光子才是完备的。

基于同样的思路，我提出黑洞互补原理。

初看上去，信息要么落入黑洞，要么停在黑洞的事件视界上，不可能同时成立。但这不就跟我们一开始认为光子要么是粒子要么是波一样嘛，看似不可能同时存在的事情，恰恰是描述它的完备方式。

信息既是落入黑洞，又是被定格在黑洞表面，才是描述黑洞信息的完备方式。这里面最关键的概念是测量。就如同我们永远不可能同时测量光的波动性和粒子性一样，我们也永远不可能同时检测到黑洞内部的信息和外部的信息。因为黑洞的事件视界把这两份信息永远地隔开了。

要测量黑洞的内部信息，就必须随信息一起进入黑洞，但观察者一旦进入黑洞，也就再也出不来了。所以，内外部的观察者永远也不可能交换信息，对于宇宙中任何一个观察者来说，信息永远只有一份，不可能同时出现两份。所以，看似矛盾，其实并不矛盾。这就是黑洞信息悖论的真相。

面对着还没回过神来的听众们，萨斯坎德又补充说了最后一句：我不在乎你们是否同意我今天所说的，我只是希望你们记住我所说的。

会议结束后，主持人邀请所有与会者做了一次投票，萨斯坎德成功地说服了 38 位物理学家，大约占全体与会人员的一半给他投了支持票。不过，霍金对这个没有数学基础，更像是一种哲学解释的黑洞互补原理很反感。直到阿根廷物理学家马尔达西那用数学证明了三维信息可以编码在二维表面，霍金才当众认输，这是我们上集文章讲过的内容。（上集文章：汪诘｜黑洞史话 17：黑洞的降维打击）

当霍金在 2004 年当众认输后，以萨斯坎德和胡夫特为首的保皇派认为黑洞战争以己方的胜利结束了。黑洞互补原理和全息理论成功保住了宇宙的幺正性，保住了信息守恒，物理学家们长舒一口气，终于可以睡个好觉了。这是在 2012 之前，物理学家们普遍能接受的一个解释。

AMPS 与“不可能三角”：一道残酷的选择题

然而，2012 年，AMPS 四人组登场了，刚刚睡下的物理学家们还来不及做一个好梦，就又被战斗的号角叫醒，睁眼一看，不得了，天塌了！

这四位物理学家，其实并没有什么惊世骇俗的新发现，他们没有反对量子力学，也没有反对广义相对论，他们只是残忍地指出，萨斯坎德教授，您的黑洞互补原理听上去逻辑自洽，天衣无缝，但是，你漏考虑了一件事情。

那就是——量子纠缠。

啪的一声，当这四个字说出的时候，就好像在物理学的上空平地炸了个惊雷，所有人的耳朵都嗡嗡作响，心想：是啊，我怎么没想到！

量子纠缠这四个字，你可能早就如雷贯耳了，怎么讲黑洞信息悖论会突然和量子纠缠扯上关系了呢？是的，在 AMPS 四人组之前，不管是萨斯坎德、胡夫特还是霍金等等一众大牛，都没有往这方面去思考。但是，当 AMPS 四个人把量子纠缠抛出来后，所有人才突然意识到，这不就是应了中国的那句老话“情理之中、意料之外”吗？

在接着讲他们烧脑的理论之前，我先帮你简单复习一下量子纠缠的概念。

简单来说，如果两个微小的粒子是“纠缠”在一起的，那么它们实质上是一个整体，这两个量子之间必然会有一些两两配对的状态关系是保持恒定不变的，无论它们相隔多远，只要你测量了其中一个状态，另一个的状态就会立刻被确定下来。

打个比方来说，假如有一双必然配对的量子手套被分开了，那么，不论它们相隔多远，只要测量其中一只手套，假如是左手，那另一只就一定是右手。神奇之处在于，这两只手套的左右手关系并不是在分开的那一刻就决定了，而是每只手套都处在左右叠加态，你测量任何一只手套，得到左手和右手的概率都是 50%，但只要你测量了其中一只，另一只就不再是左右叠加态了，而是也瞬间确定下来。这两只量子手套在没有被测量之前，我们就说，它们处在量子纠缠态中。

现在我们重新把目光投向黑洞。霍金辐射现象表明，黑洞的事件视界附近，真空并不是真正意义上的“一无所有”，虚虚实实的量子涨落会不断产生一对一对的虚粒子对。

这对粒子中，一个掉进黑洞，另一个逃向远方宇宙。为了叙述的方便，掉进去的那一个，我们姑且叫它“小黑”，飞出去的那一个，叫它“小光”。

AMPS 打出的第一张牌，是用爱因斯坦提出的等效原理论证出，小黑和小光必须处在纠缠态。等效原理是广义相对论的几块最重要的基石之一，它说的是当一个人处在自由落体状态时，根本无法分辨自己是在加速向下坠落，还是漂浮在太空中处于失重状态。你可以想象自己在一架做自由落体坠落的电梯中，四周完全密闭，这时候你只能感受到自己失重了。也就是说，假如有一个宇航员落入黑洞，根据等效原理，这个宇航员自己是完全感受不到自己穿过事件视界的那个瞬间与穿过前后有任何不同，他看到的依然是一个完全平静的真空状态，他不可能看到在黑洞的表面正在源源不断地产生“小光”。这种平静的背后，是无数对“小黑–小光”在不断产生、湮灭，维持着一种很精细的平衡。

换句话说，要保证“掉进去的宇航员在穿过事件视界时什么也感觉不到”，就必须保证：紧贴着事件视界内外那一薄层空间里，也就是黑洞表面，不断产生的粒子对是量子纠缠的，“小黑”和“小光”之间是牢牢纠缠在一起的。

当然，我刚才的解释是非常非常粗糙的，这里面有大量的理论细节，但我觉得作为我们科学爱好者，只要从宏观上能理解到这一层就足够了。但你千万不要以为我上面的三言两语就是理论的全部，非要在我么粗糙的比喻上抠字眼，那就是走火入魔了。

接下去的问题是，这个“小黑”和“小光”处在量子纠缠态怎么就重新挑起了黑洞战争呢？

别急，因为 AMPS 又打出了第二张牌，如果我们把量子纠缠的双方比喻成夫妻关系，那么 AMPS 四个人突然又论证出了一个来抢亲的家伙，它试图要证明自己才是小光的合法配偶。

因为理论非常的高深，假如用物理或者数学语言来解释的话，普通人根本听不懂，所以，我后面还是全程都用比喻来讲解。我必须申明，比喻永远不能取代真正的数学推导，你千万不要在我这个比喻上继续发挥想象，往前推演，那没有意义。我打比方的目的，只是为了让你能从宏观上了解物理学家们到底在争论个啥。

现在，请想象有一个很大的黑洞，它已经存在了很久很久，霍金辐射也放了很久。宇宙中已经漂浮着一大堆早年间飞出去的“小光”，我们把它们统称为“老光们”。后来黑洞继续发光，又放出了一个全新的“小光”，我们叫它“新光”。

如果黑洞信息是守恒的，那就意味着：所有曾经掉入黑洞的信息，最终都得通过这些“小光”们释放出来。什么意思呢？这句话是说，越到黑洞生命的后期，新发出来的“新光”，就越不能是“完全随机”的，它必须和之前那些“老光们”之间，有一种非常精细的“暗号关系”，只有这样，当你把所有“小光”收集齐，才能解出当年被黑洞吞噬掉的信息。

所以，新光又必须和那些早就飞走的“老光们”，建立起非常紧密的纠缠关系。这样所有“小光”拼起来，才能形成一份完备的“信息档案”。

也就是说，黑洞晚年放出来的小光，必须要有两个合法的配偶，一个是落入黑洞的小黑，一个是早年间飞出黑洞的老光们。

这在我们普通人看来，好像没什么大不了的，就好像一个男人有两个合法妻子，这在很多国家，都不是什么稀奇的事情。

但是，这在物理学家们的眼里看来，这简直就是天塌了。因为，在量子力学中有一条人人都认为是天经地义，必须遵守的法则：量子纠缠必须是一夫一妻的。这被称作“纠缠的单配性”，如果我们把这个物理法则说的更学术化一些，就是一个量子比特只能和一个系统保持最大纠缠，不能同时和两个独立的系统保持最大纠缠。通俗地说，在量子的世界中，重婚是绝对不允许的，那是要犯重婚罪的。在人类世界中，约束重婚的是道德。而在物理世界中，约束重婚的其实是数学，是希尔伯特空间根本装不下这种关系。这里面理论的细节还有很多很多，但我们不必过多纠结细节，只要在宏观上能理解哪里出了问题即可。

下面我再来从宏观上总结一下 AMPS 放出的大招到底说的是什么。实际上，AMPS 提出了一个类似经济学中的不可能三角矛盾。在经济学中，一、资本的自由流动；二、固定汇率；三、独立的货币政策。这三者只能满足二条，任何一个国家只能三选二，不可能都要，因为三者放在一起是矛盾的，但任何二条选出来放在一起就不矛盾。

蒙代尔不可能三角

AMPS抛出的理论也是这样一个物理学中的不可能三角，他们论证出：

一、黑洞信息是守恒的；

二、等效原理是对的；

三、远处的观察者看到的霍金辐射与普通的辐射别无二致。

对不起，这三条不可能同时满足，你只能三选二。如果不想三选二，就必须要放弃量子纠缠的单配性原理。对于物理学家们来说，无论哪个选择都是天塌了。

AMPS 四人组提出的，不是一个温柔的小问题，而是一道残酷的“选择题”：

你要么承认宇宙中的信息有可能在黑洞中真的被毁掉； 要么承认，黑洞表面并不像我们想象得那样温柔平静，而是一堵炽热的“火墙”，任何掉进去的宇航员在抵达事件视界之前，就已经被烧成灰； 要么，你就得放弃在事件视界外“什么都正常、依然可以用普通物理规律来描述”的安稳想法，承认在那附近，空间、时间和因果关系，可能早就已经被量子引力撕扯得面目全非。

不管你选哪一条，都是对原来看上去已经胜利的“保皇派”世界观的一次重击。

这道残酷的选择题，被物理学界称为“黑洞防火墙悖论”（firewall paradox），这里必须吐槽一下，这个英文词组现在被约定俗成地翻译为“防火墙悖论”真的是一件让人很无语的事情，最初翻译这个词的人肯定是对这个悖论一无所知的人。Firewall 在计算机术语中被称为防火墙，他就想当然地也翻译为防火墙，真的是完全弄错了 AMPS 的原意。在 AMPS 的理论中，fire wall 指的是一堵火焰之墙，而不是“防火的墙”。但是没办法，这个词的翻译已经约定俗成了，我也无法免俗。

黑洞防火墙悖论让所有物理学家面对了一个极其尴尬的局面：

要么牺牲量子力学最心爱的“信息守恒”；要么牺牲广义相对论最得意的“等效原理”；要么承认，我们对黑洞附近“空间里有些什么”的朴素想象，本身就是错的。

它的本质还是量子力学与广义相对论在黑洞这个怪物面前发生了激烈的冲突，黑洞再次把人类物理学的两根支柱搅得摇摇欲坠，它必然会成为旧世界的毁灭者，但是，它也有可能成为新世界的缔造者。

霍金刚刚平复的心情，又被搅乱了。萨斯坎德也懵了，他花了三十年建立的“全息大厦”，似乎又要摇摇欲坠。2013 年，关于防火墙悖论的研讨会在世界各地召开，每一次会议都像是一场吵架大会。有人试图修改量子力学，有人试图修改广义相对论。

就在这一片混乱和绝望之中，来自阿根廷的天才数学家，那个刚刚引发了全息原理革命的马尔达西那，再次敏锐地察觉到了什么。

胡安·马尔达西纳

他把目光投向了爱因斯坦在 1935 年这一年内接连发表的两篇看似毫不相关的论文。

ER=ERP：通往新世界的幽径

一篇是关于“爱因斯坦-罗森桥”的，简称为“ER 桥”，这就是后来启发虫洞理论的原始论文。另一篇论文简称为“EPR 佯谬”，这就是后来引发量子纠缠理论的原始论文。

马尔达西那看着这两篇论文，突然冒出了一个比“黑洞火墙”还要疯狂的想法：如果……这两个东西，虫洞和纠缠，其实是同一个东西呢？如果粒子 B 和粒子 A 纠缠的同时，它和粒子 C 并没有“断开”，而是通过一条微型的“虫洞”连接在了一起呢？

这个想法，后来被缩写为一个极其简洁、却又极其震撼的公式：ER = EPR。

这一次，物理学家们不仅仅是要修补黑洞的理论，他们似乎正站在了揭开“时空本质”的门槛上。时空到底是什么？它是由什么编织而成的？黑洞火墙的火焰，虽然烧毁了旧物理学的和谐，却也照亮了通往新物理学的一条幽深小径。

不过，请注意，我们今天讲的所有故事，包括之后要讲的故事，都建立在目前最好的理论尝试之上。它们可能是通向真相的阶梯，也可能只是通向下一次失败的跳板。我们，已经一起站在了物理学的最前沿。

欲知后事如何，且听我下回分解。