黑洞研究所简介
恰如其分的是，黑洞倡议（BHI）是在卡尔·施瓦西（Karl Schwarzschild）解决爱因斯坦的广义相对论方程100年后成立的，该方程描述了黑洞在首次天文证据出现之前的几十年。经过一个世纪对黑洞神秘性质的研究，黑洞作为时空的奇异结构，继续吸引着天文学家、物理学家、数学家、哲学家和公众。
BHI的使命是跨学科的，为此，我们赞助了许多活动，创造环境，支持不同学科研究人员之间的互动。哲学家与数学家、物理学家和天文学家交谈，理论家与观测者交谈，一系列预定的活动为人们定期聚会创造了场所。
例如，对于我们关心的一个问题，考虑黑洞中心的奇点，这标志着爱因斯坦引力理论的崩溃。在量子力学背景下，奇点会是什么样子？最有可能的是，它看起来是一个极小体积内巨大质量（天体物理黑洞的质量超过几个太阳质量）的极端集中。将落入天体物理黑洞的所有物质排干的蓄水池的大小尚不得而知，这也是BHI学者工作中尚未解决的问题之一。
我们很高兴向大家展示一系列论文，这些论文是由我们的高级教员从众多BHI第一届论文比赛的申请中精心挑选出来的。 获奖论文将于鹦鹉螺在接下来的五周里，从第五名开始，一直到第一名。 我们希望你能像我们一样喜欢它们。
-亚伯拉罕（阿维）勒布
Frank B.Baird，Jr.哈佛大学科学教授
哈佛天文学系主任
黑洞倡议（BHI）创始董事
吨他上上下下都是一样的，”这位圣人说。
悖论有一种困扰思想的方式。它阐明了我们从经验中理解的概念的不一致性和不足之处。它使我们的理解框架和理解本身都受到怀疑。无论建造什么样的思想塔，都会试图克服它的矛盾，摇摇欲坠，稍稍扰动一下，就会坍塌。然而，只要我们足够熟练地运用它，它也可以成为顿悟的工具。哲学家赫拉克利特明白这一点，尽管他对悖论的热爱为他赢得了同行们的“晦涩难懂”的称号。今天，物理学家还必须接受悖论，以便更深入地理解黑洞的本质。
对赫拉克利特来说，思考的困难是我们处理世界的方式所固有的。我们对自然的外部体验不是直接处理的，而是通过一系列概念过滤出来的，这些概念随着时间的推移而发展并相互联系。如果我们不小心，我们用来理解自然的这些混乱的概念和类别就会与自然本身混淆。我们开发模型和理论，作为透镜来告诉我们世界是什么样子的。然而，有时，我们不同的模型、不同的概念之间存在紧张关系，这是因为世界与我们创建的网络不太吻合。悖论也是如此。悖论让我们感到沮丧，因为它的出现——我们如何理解悖论——取决于我们使用的是哪种镜头。在思考中，我们引入了非实质性的区别，而悖论贯穿了这些区别。
赫拉克利特说：“在圈子里，开始和结束是常见的。”。
这种情况在物理学中也同样如此，在物理学中最明显的莫过于黑洞的研究。黑洞在现代物理学中占据着一个特殊的位置，因为它的核心是黑洞的奇点，我们期望我们最成功的两个物理模型（那些云层、暗透镜）能够相遇。广义相对论描述了一个框架，其中“时空告诉物质如何运动；物质告诉时空如何弯曲”，物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）对此做出了著名而简洁的解释。该理论的方程本质上是几何的，借鉴了研究抽象数学对象的各种形状的数学领域。它从形状和曲率的角度解释了引力现象，并将时空视为一个物体，它本身会随着物体内部的质量而弯曲和膨胀。空间和时间不再是一个发生动作的舞台，而是一个舞台上的玩家。
量子理论，这些框架中的第二个，是一个完全不同的野兽。它描述了粒子和光在最小尺度上的行为，通常使用令人困惑的术语。但这种困惑大多源于我们自己错综复杂的思想网，这些思想网是为了理解日常经验的经典世界而发展和训练的。在任何量子理论中，像粒子这样的物体都有一个给定的量子态，该量子态以规定的方式在时间上通过一系列连续的状态进行演化。但这些状态的性质很奇怪。纠缠，也许是所有属性中最基本的量子，会在这里的量子对象和那里的量子对象之间产生奇怪的关联，而不管“这里”和“那里”相距多远（这是一个非常奇怪的属性，爱因斯坦认为它是“遥远的幽灵行为”）。如果仔细研究的话，时空中充满了虚拟粒子，这些虚拟粒子在时空中穿梭，将真空变成了流动的量子泡沫。然而，尽管世界上存在着量子奇异性，但该理论在惊人的程度上充分预测了粒子的行为。
赫拉克利特说：“正是在变化中，事物才能得到安宁。”。
黑洞在每种理论的边界上都占有一席之地，令人不安地介于两者之间。在这里，我们的理论崩溃了。广义相对论方程首次表明出了问题。描述时空曲率的方程犯下了数学的原罪——在这个过程中，用零点除法找出了无意义的无穷大。这就好像时空结构实际上是从奇异性存在时所承受的巨大压力中被刺穿的，而我们的方程无法描述这一点。在其他有类似故障的经典理论中，量子理论起到了拯救作用。20世纪上半叶物理学的大部分工作都是在“量化”经典理论方面完成的：通过用量子术语描述物体来消除这些无意义的描述。但是，当用广义相对论尝试同样的过程，试图写下量子引力理论时，概念问题早于数学问题出现。如何将时空描述为量子态随时间演化，当它是时间？
通过一个透镜看起来像量子理论的理论，通过另一个透镜看起来可能像引力理论。
在这些理论之间的模糊景观中，悖论是前进的方向。赫拉克利特的天才在于他能够利用悖论来描述语言无法描述的真理。在物理学中，黑洞信息悖论是走出黑洞模糊沼泽的指南。这个悖论抓住了量子理论和广义相对论之间的根本冲突。它指出，如果黑洞的行为符合广义相对论的要求，那么落入黑洞的物体就不能符合量子理论的要求。相反，如果落入黑洞的量子物体的行为符合预期，那么黑洞的几何描述一定是错误的。无论我们赞成哪一种理论，都必须抛弃另一种理论。
这个悖论来自两个事实。一种是量子系统以“单一”方式演化，也就是说，给定一个系统在某一时间的量子状态，其他时间的量子态可以唯一确定。据说有关该州的信息被保存了下来。第二个是黑洞会蒸发，根据广义相对论，黑洞会带走掉的信息。对于时空中的观察者来说，黑洞蒸发后，关于初始量子系统的可用信息是不完整的。他们再也无法确定初始状态，似乎量子信息已经被破坏了。
在解决这个悖论的过程中，研究人员已经开始找到自己的立足点。为了寻求解决方案，物理学家注意到量子理论和重力固有几何之间的联系，通过提供量子力学和几何之间的二重性来缓解悖论。通过一个透镜看起来像量子理论的理论，通过另一个透镜可能看起来像引力理论。这是全息原理（正如已经提出的那样，它并没有提出宇宙是事实上科幻小说中的各种全息图）。一本介于两种观点之间的词典已经开始发展，研究人员已经能够从另一种理论的角度来理解其中的某些方面。在一个被称为ER=EPR（代表爱因斯坦-罗森桥=Einstein-Poolsky-Rosen对，纠缠物体对）的猜想中，这条调查线的一个端点。胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena）和伦纳德·苏斯金（Leonard Susskind）提出的这一观点推测，两个纠缠量子系统的行为可以由两个由微黑洞连接的分离系统双重描述。在一个镜头中出现的量子怪诞是在另一个奇怪的几何体中。
真正的赫拉克利特对悖论的拥抱将更进一步，并承认我们在理论类型之间的理论区别是非物质的。我们把一些物体描述为“量子”，而把一些描述为“几何”，这是处理我们经验的令人烦恼的概念网络的结果。对赫拉克利特来说，导致某些属性被标记为量子属性，而某些属性被标为几何属性的排序是人为的。我们对这些区别的依赖注定了我们要“透过玻璃，黑暗地”看待自然。但是，带着悖论的矛盾，不断推动和探索我们概念的局限性，我们有可能获得片刻的清晰。赫拉克利特会说，即使在奇点上，引力和量子力学之间也没有冲突，因为引力和量子动力学是一体的。纠缠是几何体。
向上就是向下。
可以肯定的是，这一清晰时刻的完整性还很遥远。ER=EPR猜想仍然是猜测，并且在不久的将来可能会继续这样做。黑洞研究的其他途径也为避免ER=EPR所建议的统一性的悖论提供了解决方案。显而易见的是，物理学家必须接受悖论在理解自然中的作用，这常常让人感到不安。这种对矛盾的安慰很少是容易的，而且最终的明确性也无法保证。也许它应该是这样的。
赫拉克利特说：“隐藏的和谐比明显的和谐要好。”。
加布里埃尔·林奇（Gabriel Lynch）是芝加哥大学（University of Chicago）的应届毕业生，他在那里学习物理学，并对黑洞和量子信息进行研究。他住在芝加哥附近。
这篇文章在黑洞研究所的论文比赛中名列第三。
附加阅读
Maldacena，J.&Susskind，L.纠缠黑洞的冷却视界。Physik的Fortschritte 61(2013). 检索自DOI:10.1002/prop.201300020。
沃尔德，R.M。广义相对论芝加哥大学出版社（2009）。
车轮匠，P.E。赫拉克利特牛津大学出版社（1959年）。
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