黑洞,不只是坍縮的恒星殘骸,更是物理學所有難題的交匯點。
1995年,Ted Jacobson干了一件驚天動地的事:他反推出了愛因斯坦場方程,讓人懷疑這套描述引力的方程根本就是熱力學的狀態方程。
換句話說,引力,不是幾何的起點,而是熱力學的產物。
這個思路,從黑洞熱力學開始。霍金輻射、貝肯斯坦的面積-熵關系,早已指出:黑洞的事件視界不僅有溫度,還有熵。黑洞越大,熵越高;黑洞蒸發,熵減少;但總熵增加,這需要有一種機制維持熱力學第二定律。
Jacobson的突破是:這背后的機制,就是愛因斯坦方程。它不是前提,是結果。
他引入了局域Rindler視界。在任何時空中的點,都可以建立一個局部的加速框架,這框架里的觀測者會看到一個視界,而這個視界和黑洞事件視界在局部上沒區別。
只要在每一個點上,假設“熱力學關系成立”,要求視界的能量流與面積變化之間滿足某種對應,那么,整個時空就會自動滿足愛因斯坦方程。
更炸裂的是,這個“熱量”不是通常意義上的能量,而是與洛倫茲變換中的加速變換(即Lorentz Boost)相關的一種“加速能量”;它所對應的溫度,正是盎魯溫度。
這就是盎魯效應:即便在平直的閔可夫斯基時空,一個勻加速的觀測者也會看到熱輻射。哪來的溫度?來自于量子真空的糾纏。
量子場的真空態,在某一區域上截斷之后,不再是純態,而是一個熱態。這就是Bisognano-Wichmann定理。
于是,熱力學不僅是黑洞的專利,是真空本身的結構。每一道視界,其實都在封裝一段熵。不是物質帶來的熵,而是量子糾纏帶來的“熵”。
但這里馬上碰上一個爆點:用量子場理論去數這熵,會發現是無限的。
因為短尺度上,場可以無窮地糾纏,越靠近視界,模式密度越大,熵越大,直到發散。可貝肯斯坦-霍金熵是有限的,按面積給出的。
怎么回事?
引力救場。在極小尺度下,量子漲落的能量會大到足以產生微型黑洞,導致兩個糾纏粒子無法再分開。因此,熵的統計必須截止于某個最小尺度。而這個尺度,正好是普朗克尺度。
于是,有限的黑洞熵,不是某種巧合,而是重力的反饋。
更絕的是,Jacobson反過來說:如果你接受這個反饋是必然的,那么愛因斯坦方程就是熵-能量關系的“狀態方程”。
這已經讓我們不得不懷疑,引力不是基礎,而是某種統計效應。
這也正是2015年Jacobson又進一步推進的內容。他放棄了局部Rindler視界,改為考慮一個有限區域內的最大糾纏態,提出“最大真空糾纏假設”,從統計角度再次推出愛因斯坦方程。
推導要求保持固定的是體積,而不是面積。如果固定的是面積,方程會錯,萬有引力常數的系數對不上。為什么體積起關鍵作用?Jacobson自己也不知道。
但這恰好說明:這個推導不是隨意調整的,是有嚴密結構的。
然而,這種“熱力學引力”圖景只是開始,更深的挑戰是:既然是統計效應,那么微觀自由度是什么?
這里,全息術(Holography)登場。
Maldacena提出AdS/CFT對應,將引力映射為邊界上的無引力系統:一個CFT就可以編碼整個AdS空間。
也就是說,時空本身是糾纏的幾何表現。
特別是Ryu-Takayanagi公式:CFT中一個區域的糾纏熵,對應的是AdS空間中一個極小面片的面積。熵=面積/4G。這不是黑洞的特權,是整個空間的結構。
空間的連通性,甚至取決于糾纏。如果你“剪斷”真空中的糾纏——讓兩個區域的場不再相關——重力會回應一個巨大能量密度,空間本身會裂開。
你甚至不能通過那道邊界,因為那不是墻,而是一個時空終止面。
這就回到了Marolf的觀點:在全局廣義協變理論中,真正可定義的物理量,只存在于邊界。哈密爾頓量本身是一個邊界通量積分。
這就意味著:只要你在邊界上能定義一組閉合代數的可觀測量,那么無論你怎么演化,這些可觀測量之間的信息不會丟失。信息守恒,在邊界。
這直接對黑洞信息悖論下手。
人們常說:黑洞蒸發,霍金輻射是熱的,沒有編碼原始信息,信息似乎丟失了。可這個說法,默認你在用局部量子場論,在一個有背景時空中進行討論。
可廣義相對論下,沒有“絕對坐標”,你不能說“這段糾纏在那個點”,因為你都沒有準確定義那個點。你需要“引力穿衣”,要定義你的參考系,要考慮測量者的軌跡及其引力反饋。
這些你都沒做,所以“你說的信息丟失”本身不成立。
只有邊界觀測是嚴格定義的。在那一套語言下,沒有信息丟失。
問題是:要“復原”這些信息,需要測量哪些東西?這個現在沒人知道。可能是極其復雜的邊界算符組合,也可能是重力場的高階多極矩。
所以,這一切的線索,繞回來了:
引力不是起點,是終點。不是幾何的先驗,而是糾纏的統計結果。愛因斯坦方程,不是神啟,而是熱力學的副產品。只要你承認,哪怕只是一點:信息的本質是糾纏,熵的來源是割裂,那么引力,就不再神秘。
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