物理学家内塔·恩格尔哈特（Netta Engelhardt）正在黑洞中寻找普遍真理

正如内塔·恩格尔哈特（Netta Engelhardt）所看到的，秘密永远不会消亡。甚至在黑洞里也不行。

恩格尔哈特是麻省理工学院的理论物理学家，他正在梳理黑洞内部和周围的复杂物理学，寻找塑造我们宇宙的基本成分。 在这个过程中，她颠覆了量子和引力物理学领域的流行观点。

迄今为止，她工作中最大的启示之一是落入黑洞的信息可以避免永远丢失的方式。2019年，在来到麻省理工学院之前不久，她和其他物理学家使用引力方法证明，随着黑洞的蒸发，黑洞内部的信息原则上可以被撤消。

该团队的结论震惊了物理学界，因为它构成了解决长期存在的黑洞信息悖论的最定量的直接进展 – 这是物理学家斯蒂芬霍金工作中提出的一个难题。这个悖论将两种似乎都是正确的理论对立起来：一种是“单一性”的支柱，即宇宙中的信息既不被创造也不被破坏的原则;第二，霍金根据标准引力物理学计算出的信息确实可以被破坏，特别是当从蒸发的黑洞辐射出来时。

“想象一下，你有一本日记，你在实验室里把它点燃了，”恩格尔哈特解释道。“根据酉论，如果你知道宇宙的基本动力学，你可以把灰烬对它们进行逆向工程，看看日记和里面的内容。这将是非常困难的，但你可以做到。但霍金的计算表明，即使你知道宇宙的基本动力学，你仍然无法对黑洞蒸发的过程进行逆向工程。

当时在普林斯顿大学的恩格尔哈特和她的同事们表明，与霍金的计算相反，有可能使用引力物理学来观察黑洞蒸发的过程实际上确实保存了信息。

作为麻省理工学院的新终身教员，恩格尔哈特现在正在解决其他关于引力的长期问题，希望填补物理学家在最基本的尺度上理解宇宙的最后也是最大的空白。

“归根结底，我被关于自然和宇宙如何运作的问题所驱使，”恩格尔哈特说，他现在是物理学副教授。“回答这些问题是一种职业。”

重力之门

恩格尔哈特出生在耶路撒冷，在那里她很早就对科学产生了兴趣。当她9岁时，她和她的家人搬到了波士顿，部分原因是为了让她的母亲可以参加麻省理工学院语言学的访问学者项目。刚到美国，只学会了用希伯来语阅读，恩格尔哈特在最初的几周里阅读了家里带来的每一本书，其中一些对于一个9岁的孩子来说是不典型的。

“我读了我们剩下的所有希伯来语书，直到最后只剩下一本，那就是斯蒂芬霍金的《时间简史》。

霍金的书是恩格尔哈特对黑洞、大爆炸以及塑造宇宙的基本力和构建块的首次介绍。她发现特别令人兴奋的是物理学家理解的缺失部分。

“人们可以花一辈子的时间寻找这些非常基本的问题的答案，我刚刚发现这些问题非常令人着迷，”恩格尔哈特说。“宇宙从何而来？什么是基本构建块？这些是我意识到我只是想知道答案的问题。从那时起，我不仅开始学习物理学，而且在9岁时就开始研究量子引力。

她在大学期间萌生了这种早期的火花，在布兰迪斯大学攻读物理和数学双学位。她继续在加州大学圣塔芭芭拉分校攻读物理学博士学位，并真正开始深入研究量子引力的谜题，这是一个试图根据量子力学原理描述引力效应的领域。

量子力学理论是一个非常好的蓝图，用于描述自然界中原子尺度和更小的相互作用。这些量子相互作用由物理学家所知道的四种基本力中的三种控制。但第四种力，引力，一直没有得到量子力学的解释，特别是在引力效应压倒性的情况下，比如黑洞深处。

在这种极端情况下，无法预测物质和引力的行为。这样的理论将完成物理学家在最基本的尺度上对宇宙运作的理解。

对于恩格尔哈特来说，量子引力也是通往其他神秘问题的门户。例如，空间和时间从更基本的东西中出现的方式。恩格尔哈特（Engelhardt）在研究生阶段的大部分工作都集中在有关时空几何学的问题上，以及时空曲率如何从量子引力所描述的更基本的东西中产生。

“这些都是需要解决的大问题，”恩格尔哈特承认。“我大部分时间都花在思考，嗯，我该如何把这种模糊的直觉浓缩成一个可以具体回答的问题？这是你能取得的进步的很大一部分。

黑洞印记

2014年，在她的博士工作进行到一半时，恩格尔哈特将她关于量子引力和时空涌现的一个问题磨练成一个特定问题：如何计算引力系统熵的量子修正。

“有些表面（在时空中）对引力（弯曲）很敏感，称为极值表面，”恩格尔哈特解释道。“已经有一个公式使用这种表面来计算在没有量子效应的情况下引力系统的熵。但是在现实的量子引力中，存在量子效应，我想要一个考虑到这一点的公式。

她和博士后阿伦·沃尔（Aron Wall）一起构建了一个一般方程，该方程将描述在考虑量子效应时应如何计算引力区域的熵。结果是：量子极值曲面，旧经典曲面的量子推广。

当时，这项工作纯粹是理论上的，因为宇宙中大多数过程的量子效应太小，甚至无法稍微摆动周围的时空。因此，他们的新方程将建立在与纯经典方程类似的预测之上。

但在2019年，作为普林斯顿大学的博士后，恩格尔哈特和其他人意识到，这个方程可能会对量子极值表面可能做什么以及相应的量子引力熵给出一个非常不同的预测，在一种特定情况下：当黑洞蒸发时。更重要的是，该方程式的预测可能是解决长期存在的黑洞信息悖论的关键。

“这是一个非常戏剧性的时刻，”她回忆道。“每个人都在夜以继日地工作，试图弄清楚这一点，晚上并没有真正睡觉，因为我们太兴奋了。

在睡眠不足的三个星期后，物理学家们确信，他们已经朝着解决这个悖论迈出了戏剧性的一步：当一个黑洞蒸发并释放出最初落入其中的信息的混乱形式时，一个新的、完全非经典的量子极值表面出现了，导致引力熵随着更多信息的辐射而缩小。他们推断，这个表面可以作为辐射信息的印记，原则上可以用来重建原始信息，而斯蒂芬霍金已经证明这些信息将永远丢失。

“那是尤里卡！时刻，“她说。“我记得我开车回家，想着，甚至可能大声说，’我想就是这样！’

目前尚不清楚霍金实际上在计算什么来假设相反的情况。但恩格尔哈特认为，这个悖论已经接近解决，至少从广义上讲是这样，她的团队的工作经受住了反复检查和仔细审查。与此同时，她将目光投向了其他问题。

测试支柱

恩格尔哈特的突破发生在2019年5月。仅仅两个月后，她前往剑桥，开始在麻省理工学院任教。她于 2017 年首次访问校园并面试了该职位。

“在理论物理中心，有一种明显的对科学的兴奋感，你到处都能感受到——它渗透到研究所，”她回忆道。“这就是我想进入麻省理工学院的原因之一。

她得到了这个职位，她接受了这个职位，并选择推迟一年在普林斯顿完成她的博士后研究。2019年7月，她开始在麻省理工学院担任物理学助理教授。

在校园的早期，当她建立自己的研究小组时，恩格尔哈特跟进了黑洞信息悖论，看看她是否不仅能找出霍金是如何出错的，而且能找到他实际上在计算什么，如果不是辐射的熵的话。

“归根结底，如果你真的想解决这个悖论，我们必须解释霍金的错误是什么，”恩格尔哈特说。

她的预感是，在某种程度上，他正在计算一个完全不同的数量。她认为，霍金的工作一开始就提出了这个悖论，他可能正在计算一种不同类型的引力熵，当黑洞蒸发时，这种熵似乎会导致信息丢失。然而，这种另一种形式的引力熵与信息内容不对应，因此它的增加不会是自相矛盾的。

今天，她和她的学生正在跟进与量子引力有关的问题，以及与奇点有关的一个更棘手的概念——当一个物体像恒星一样坍缩成一个引力如此强烈的区域，以至于摧毁了时空本身。物理学家历来预测奇点应该只存在于黑洞事件视界后面，尽管其他人已经看到了它们存在于这些引力边界之外的迹象。

“我现在的很多工作都是为了理解引力物理学有多少支柱并不像我们目前所理解的那样是正确的，”她说。“回答这些问题是最终的动力。