量子力学和相对论在黑洞里面无法同时成立，在黑洞里面，它俩必须要死一个；或者，两个都得死。量子力学和相对论在黑洞里面，有哪3个不可调和的冲突？
与黑洞有关的知识，大部分是猜想，哪些黑洞知识有观测证据？
科学只能描述可观测的现象，而黑洞内部不可观测，这是否揭示了“科学这套方法论”的固有局限性？
本文将回答上面3个问题。
首先介绍量子力学和相对论的第1个冲突，黑洞信息悖论。
假设有 3 个完全相同的黑洞：
分别将 100 斤的刘亦菲、100 斤的凤姐和 100 斤的书,扔进这 3 个黑洞，那么现在这 3 个黑洞还完全相同吗？
霍金根据广义相对论计算得出，黑洞只有质量、电荷和角动量 这3 个基本属性。既然这三个都是 100 斤、都不带电荷、都没有角动量，广义相对论便认为这 3 个黑洞依然一模一样。
然而，量子力学却不这么认为。量子力学有一个基础假设，一个不与外界交换物质和能量的系统，其微观状态的全部物理信息（如位置、动量、自旋等）在演化过程中不会丢失，也就是说 信息守恒。刘亦菲、凤姐和书 携带着不同的信息进入黑洞，基于信息守恒的原则，这 3 个黑洞最终状态不一样。
广义相对论认为3个黑洞一样，量子力学认为3个黑洞不一样，于是就有了矛盾，这就是著名的“黑洞信息悖论”。
这个悖论是霍金在1975年提出的，到现在已过去了50 年，物理学家围绕着这个悖论 水了7000多篇学术论文，至今还没完全解决。
当前主流观点认为，黑洞蒸发出来的霍金辐射，保留了“刘亦菲、凤姐和书”原来的信息，但是依然不知道这些信息是如何被编码和转移的。
也就是说，大多数物理学家支持量子力学，认为信息应当守恒，这3个黑洞不一样。
接下来是量子力学和相对论的第2个冲突，黑洞火墙悖论。因为这个悖论发生在黑洞的“事件视界”上，所以我们先科普一下事件视界。
第2章：事件视界
经常去黑洞周围溜达的朋友应该都知道，物体只要距离黑洞足够近，就无法逃逸。对于一个10倍太阳质量的黑洞，这个距离是30千米。即使是速度最快的光，只要距离黑洞中心低于30千米，也无法从黑洞逃脱。
这个半径30千米的球面，就叫这个黑洞的事件视界。简单理解，事件视界就是一个单向的“膜”，只进不出、只吃不吐。
黑洞质量越大，事件视界的半径越大。对于银河系中心的黑洞，它事件视界的半径大约是地球半径的1900倍。
事件视界还有另外一个神奇的性质，从远处的观察者角度来看，距离事件视界越近 时间流逝得越慢，在事件视界上时间趋于停止。
你戴着一块手表、牵着刘亦菲跳入了黑洞，地球上的望远镜会看到你俩 永远定格在黑洞边缘，哪怕1亿年之后画面仍然不动。不过对你而言，你的手表只跳动了60秒，你自己感觉和刘亦菲只牵手了60秒，但是地球上可能已经过去了1亿年。这跟西游记里面，天上一天地下一年 的设定非常相似。
顺便说一个有趣的脑洞，西游记里面神仙的年龄动不动就几万岁，有没有可能 神仙就住在黑洞事件视界附近呢？这样神仙的年龄才能那么高。 假如玉皇大帝10亿岁，相当于地球已经过去了10亿年，玉皇大帝因为在黑洞附近才真实度过了50年。
天庭或许就修建在黑洞边缘。越靠近黑洞边缘 时间流逝的越慢，神仙的修为 提升的越快，法力就越高。当然了，神仙是不存在的，刚才算是用科学强行解释了一下。
下面科普量子力学和相对论的第2个冲突：黑洞火墙悖论。
第3章：黑洞火墙悖论
这个悖论理解起来很难，看不懂没关系 不影响后面的内容。
假设A和B两个粒子原本发生了量子纠缠，现在A粒子在黑洞外面，B粒子被吸入黑洞里面。
根据广义相对论的等效原理，为维持事件视界的平滑性（避免中心奇点暴露），A 和 B 必须始终保持(最大)量子纠缠。
但是，量子力学的信息守恒原则又要求，早期发射的霍金辐射粒子A 可能会与晚期 发射的霍金辐射粒子C，产生量子纠缠（由Page Theorem 和霍金辐射的幺正性 推导出来的结论）。
这就出现矛盾了，A与B发生(最大)量子纠缠，A又与C发生(最大)量子纠缠，这会违反(最大)量子纠缠的“单一性”。简单理解，(最大)量子纠缠必须是一夫一妻制，不能有小三，因此粒子A只能与其中1个发生（最大）量子纠缠。
这个悖论的根源在于：
广义相对论的等效原理
量子力学的信息守恒
量子纠缠的单一性（来源于有效场论的局域性）
这3个条件不能同时成立，它们3个必须要死一个。在谷歌学术上，目前已经有3000多篇学术论文，探讨过这个悖论。
其中最简单的解决方案是，放弃广义相对论的等效原理，让黑洞外面的A粒子和黑洞里面的B粒子断开量子纠缠，A和B断开量子纠缠的时候会释放出大量能量：
最终在黑洞事件视界附近形成一圈能量极高的火墙：
这就是“黑洞火墙悖论”的名称由来。
当宇航员落入黑洞的事件视界时，量子力学认为宇航员会遭遇“高能量的量子”聚在一起形成的“火墙”。但是，广义相对论认为不存在“火墙”，宇航员会平稳穿过“事件视界”，这就是量子力学和相对论在黑洞的第2个冲突。
黑洞信息悖论和黑洞火墙悖论，相对而言都是小问题，黑洞真正的“杀手锏”是，黑洞奇点问题，这是黑洞对现代物理学最大的冲击。
第4章：黑洞奇点问题
黑洞所有的质量都集中在中心点（对于旋转黑洞 是一个环），这个点被称作奇点。
黑洞奇点体积为0、密度无穷大、曲率无穷大。但是，物理学有一个不成文的规定，任何（可观测的）物理量都不能出现无穷大。一旦出现无穷大，就说明理论有问题，需要修正。
物理学有5个诺贝尔奖与“消除无穷大”有关，分别是1965年、1979年、1982年、1999年和2004年：
竟然有5个诺贝尔奖与“消除无穷大”有关，可见物理学多么讨厌无穷大。无穷大只是数学的概念，现实中不存在无穷大的东西，所以，任何物理理论都不能出现无穷大。
无穷的本质
那到底什么是无穷？对于无穷的本质，数学家分成了两个对立的阵营，实无穷和潜无穷，这两个阵营争论了2000多年。
实无穷认为，无穷是已经完成了的存在实体。潜无穷认为，无穷只是一个正在进行的潜在过程。举个例子，实无穷认为宇宙已经是无限大，而潜无穷认为宇宙现在是有限大，只是正在趋向于无限大。
再举几个例子，存在一条无限长的直线，存在一个包含无穷多个点的集合，存在一个能包含所有自然数的集合，实无穷认为它们都是存在的，但是潜无穷认为它们都不存在。
实无穷相当于英语里面的过去完成时(done)，认为无穷已经完成，无穷是静态的和实在的。而潜无穷相当于英语里面的现在进行时(doing)，无穷是动态的和潜在的。
你更认同哪一派呢？请在评论告诉我你的答案。
我个人更认同潜无穷。
无穷公理
这是数学各个分支之树：
处在最底层、最基础的是逻辑，其次就是 集合论，也就是ZFC公理体系，99%以上的数学理论都建立在ZFC公理体系之上。（我们之前第18集讲过“ZFC公理体系”，感兴趣可以看一下之前的文章）
ZFC公理体系包含了9条（或10条）公理，其中一条叫无穷公理——存在一个已经包含无限多成员的集合。因此，这条公理把无穷当做一个已经完成了的实体来使用，因此，现代数学大厦建立在“实无穷”之上。这句话很重要，我再说一遍，现代数学大厦建立在“实无穷”之上。
然而，宇宙里面真的存在一条无限长的直线吗？一条线段上真的存在无穷多个点吗？宇宙真的已经无限大了吗？很明显，实无穷更像是对现实世界的理想化近似。因此很多人 反对实无穷、支持潜无穷，例如，亚里士多德、伽利略、牛顿、莱布尼茨、斯宾诺莎、高斯、庞加莱、（半个）希尔伯特、外尔等等，他们跟我一样，都反对实无穷 支持潜无穷。
高斯说过：“我反对把无穷当作一种完成了的实体来使用，这在数学中是绝对不允许的。” 庞加莱说过，实无穷不属于科学，而属于神学，并且建议使用“原始递归函数”取代“实无穷”。（原始递归函数 是潜无穷的一种实现方式）
物理方程是用数学语言描述的，由于现代数学建立在实无穷之上，所以物理方程本身 已经隐含了实无穷。举两个例子，量子力学建立在“希尔伯特空间”之上，而“希尔伯特空间”通常是一个无穷维度的线性空间，所以量子力学的公式里面 已经隐含了实无穷。
广义相对论建立在黎曼几何之上，黎曼几何要求时空必须连续、光滑，而连续光滑的概念 必须用实无穷去定义，所以广义相对论的方程 也已经隐含了实无穷。
因此，物理方程已经隐含了实无穷。这句话很重要，我再说一遍，物理方程已经隐含了实无穷（无穷公理）。这很可能是量子力学和相对论在黑洞中心奇点出现无穷大的根本原因。
100年前，黎曼放弃了平行线公理 创立了黎曼几何，爱因斯坦利用黎曼几何建立了广义相对论。同样道理，假如数学家放弃无穷公理，建立一套新的数学工具，或许能让黑洞的奇点不再出现无穷大。
因此，黑洞奇点问题，我个人认为是数学家的锅，数学家还没有发明出 能适用于黑洞奇点的数学工具。数学应该大胆地放弃实无穷、放弃无穷公理、放弃形式主义的美感，建立一套新的不包含无穷公理的数学工具。
其实吧，很多数学流派早已开始尝试放弃无穷公理了，例如直觉主义集合论、可计算集合论、庞加莱的原始递归函数等等，这些数学流派从潜无穷的角度，尝试着重塑数学的地基。
实无穷 → 无穷公理 → ZFC公理体系 → 现代数学 → 量子力学和相对论的方程 → 黑洞中心出现无穷大，于是，我们找到了黑洞中心出现无穷大的根源，那就是实无穷。
黑洞中心出现奇点，除了实无穷之外，还有另外一个原因：点粒子假设。
点粒子假设
什么是点粒子假设呢？物理学假设电子、夸克、光子等基本粒子是一个没有大小的点，这些点的长度为0、体积为0。
弦论抛弃了点粒子假设，认为基本粒子是由有长度的弦组成的。
圈量子引力则从潜无穷角度入手，让时间和空间不再连续。
弦论干掉了“点粒子假设”，圈量子引力干掉了“实无穷”，弦论和圈量子引力，正是目前两种最主流的量子引力理论。
与黑洞有关的知识，大部分是猜想，因此接下来我们说说：
哪些黑洞知识有观测证据？
黑洞质量极大、体积极小、光线无法逃离黑洞(存在事件视界)、黑洞周围有吸积环 两极有高速喷流，这些现象都有大量的观测证据支持，所以它们的置信度很高，我个人认为置信度能有99%以上。
黑洞视界面积不减、存在光子球，有一定观测证据，但是误差较大，置信度大约80%左右。
越往黑洞内部探索，置信度越低。
在事件视界附近，目前最靠谱的一个观点是，黑洞（事件视界）没有硬表面。理由是，假如存在实物硬表面，在两个黑洞合并的时候会产生“引力波回声”，天文学家至今没有发现这种回声。因此，主流观点认为 黑洞事件视界附近没有硬表面。我个人对此观点的置信度大约在60%左右。
其它在黑洞表面（事件视界）附近的理论，例如霍金辐射、火墙假说、模糊球、黑洞熵等等，都没有任何观测证据，所以置信度都很低，我个人对它们的置信度都低于20%。
至于黑洞内部的情景，那就更扯蛋了，全部都是数学玩具模型。例如黑洞里面时间变成空间、空间变成时间，两个黑洞内部能通过虫洞连接：
黑洞内部充满了微观弦构成的毛毛球：
这些都是缺乏实证的数学玩具模型，并且这些数学模型之间还存在大量的冲突，因此置信度很低，我个人对这些观点的置信度都低于5%。
最后一章：科学的固有局限
黑洞的事件视界形成了一个信息屏障，黑洞内部任何信息 都无法传递到外面。假如你跟刘亦菲在黑洞里面结婚了，想通知一下地球上的家人。你俩没有任何途径能把 “结婚了”这个信息传播出去，因为黑洞事件视界是一个信息屏障，会屏蔽一切内部信息。
这就意味着黑洞内部是一个“不可知”的区域。你可以猜想黑洞里面存在另外一个宇宙，你也可以猜想黑洞里面住着一群奥特曼：
甚至你还可以猜想黑洞里面有很多“刘亦菲”，小龙女、赵灵儿、王语嫣等，都在黑洞里 等着你呢。
科学只能描述可观测的现象，不能判断不可观测的现象的真实性。由于黑洞内部不可观测，所以科学方法 在面对黑洞内部时失效了。像黑洞事件视界这样的“信息屏障”，或许就是科学能力的天花板，是科学这套方法论的固有局限性，因此，科学没有能力触及终极真理，科学的尽头一定是不可知论。
这正印证了康德的那句话，物自体 不可知。
我是“道可道Science”，是对“现代物理学和天文学”最深入的科普自媒体。这个系列有50集，这是第17集，每一集视频都像这一集一样，深度而又全面的科普。在任意视频平台，搜索我的名字就能找到这50集视频（都是免费的）。
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