在 20 世纪 70 年代，史蒂芬·霍金发现了黑洞一个不可能出错的地方：在数学上，它们有可能收缩甚至消失。如果一个黑洞消失了，那就意味着它吞噬的一切也随之消失了。而在物理学中，物质不应该凭空消失——它可以改变形态，但其组成亚原子信息仍然需要在宇宙中存在。换句话说，黑洞本身就能够摧毁亚原子粒子（根据量子物理学）本不应该被摧毁的信息。这个问题——被称为黑洞信息悖论——困扰了物理学界数十年。但理论物理学家萨米尔·马图尔（Samir Mathur）提出了一个解决方案：改变我们对黑洞的认知，并将它们想象成“毛球”。
马图尔是俄亥俄州立大学（The Ohio State University）的教授，专攻黑洞物理学。他说，基于爱因斯坦等人传承下来的传统观念，“当你拥有一个黑洞时，量子力学就被违背了。”“一旦出现这种情况，你就没有了物理学理论。”他说，物理学家的任务是调和解释宏观物体行为的广义相对论和适用于极微小事物的量子力学。马图尔认为，“毛球”理论可以做到这一点。
黑洞的传统图像
信息悖论——以及可能解决它的“毛球”——取决于黑洞本身的结构和行为。黑洞的存在归功于引力的吸引力。马图尔说：“如果你在一个地方拥有巨大的质量，那么这个质量中的一切都会吸引其他一切。”“如果它是一个恒星，恒星中的每个点都吸引恒星中的其他点。所以它会试图收缩。”
这种收缩形成了一个时空中的超密集区域，它吞噬一切遇到的东西（甚至包括光），这就是黑洞。不过，美国高等研究院（Institute for Advanced Study）的国家科学基金会博士后研究员莉亚·梅德罗斯（Lia Medeiros）说，不必担心被黑洞吸进去而睡不着觉，因为你必须靠得非常近才会被吸进去。从远处看，黑洞就像任何其他具有巨大引力的物体一样，比如一颗恒星。但如果你飘得太靠近黑洞，你就会到达一个无法回头的点，即事件视界。“它是离黑洞多远的地方，即使你以光速移动，也无法逃脱它。”梅德罗斯解释道。
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传统观点认为，在事件视界之外，是一大片空白空间，而被黑洞吞噬的所有物质都被挤压在一个中心的微小点上。我们将这个压缩点称为奇点。
问题与悖论
哈佛大学（Harvard University）的天体物理学家法比奥·帕库奇（Fabio Pacucci）表示，这种传统的黑洞模型存在两个问题。一个问题是，奇点——一个无限密度和无限引力的点——的概念与自然界不符。帕库奇回忆起一位高中物理老师告诉他：“如果你发现了一个无穷大，那不是物理学，那是数学。”他说，大自然不处理无穷大。“你永远找不到一棵无限高的树，或者一个无限质量的行星。”虽然黑洞可能是在大自然中唯一具有无限性质的事物，但对此保持怀疑是有道理的。
所以，奇点是一个问题。而且，事实证明，我们观察到的黑洞事件视界周围的一些行为也是一个问题。史蒂芬·霍金和他的同事们表明，黑洞会辐射能量。这本身并不是一个问题，但它带来了很多数学上的复杂性。这个过程被称为霍金辐射，涉及到一对粒子和反粒子在黑洞事件视界附近出现。
其中一个粒子（假设是粒子，反之亦然）可能会与事件视界发生相互作用，然后旋转着重新回到太空中，而没有带走黑洞内部的任何信息。但它的反粒子双胞胎可能会被吸入黑洞。一旦进入黑洞，那个孤单的反粒子可能会遇到一个单粒子，结果就是这两个粒子，用帕库奇的话说，“互相湮灭”。
帕库奇说：“对于外部观察者来说，黑洞似乎实际上在一次损失一个粒子地减少质量。”这会导致黑洞损失与该粒子相关的一点信息，而信息本应始终守恒。悖论就由此而来。还值得注意的是，这种情况只能发生在非常小的规模上，因为没有足够多的自由漂浮的反粒子能够大规模发生。但即使是少量的信息损失也是一个大问题。随着时间的推移，这个非常缓慢的过程最终可能导致整个黑洞消失。
其核心在于，信息悖论的产生是因为黑洞横跨了两个世界：它们质量巨大，因此应该遵循广义相对论的规律，但它们又收缩成一个无限小的点，这使其进入了量子领域。数十年来，物理学家们一直在努力调和他们对黑洞的认知与量子力学。理论物理学家马图尔提出的“毛球”解决方案，涉及到创造一个全新的图景。
一个“毛球”解决方案
和许多物理学家一样，马图尔多年来一直对黑洞的悖论感到困惑，但一直无法解决。然后，他和他的同事们转向了弦理论，该理论认为宇宙万物都由微小、振动的弦组成。他们对由弦组成的黑洞进行了数学建模。“我们发现它根本不像传统图像，”马图尔说。“它不是收缩成一个点，周围留下一片空白空间，而是蓬松成我们称之为‘毛球’的东西。”马图尔于 1997 年首次提出了“毛球”假说。此后，他一直在不断完善并倡导这一理论。
“毛球”理论抛弃了事件视界和奇点的概念。相反，它允许被黑洞吞噬的信息分布在整个区域，形成一个杂乱的弦球。通过消除事件视界，一个掉入黑洞的杂散粒子或反粒子不会导致信息被破坏；相反，这些新信息会被添加到“毛球”中。你仍然得到一个永不满足的黑洞，但不必担心它收缩并带走信息。
南加州大学（University of Southern California）的物理学家尼古拉斯·华纳（Nicholas Warner）说：“一个‘毛球’极其致密，你将东西丢进去，它就会留在里面，但东西出来需要极其漫长的时间。”从这个意义上说，“毛球”模仿了黑洞的传统模型。然而，华纳说，“毛球”实际上比广义相对论描述的黑洞更像一颗非常致密的恒星，比如一颗白矮星。这是因为我们仍然可以从白矮星内部检索信息。“白矮星没有信息问题，”华纳说。“它们是极度致密的物质状态，但原则上，你可以测量它，可以看到它随着时间的推移如何演变。而对于黑洞，一旦它越过视界，你就永远看不到里面的任何东西。‘毛球’只是一种极其奇异的物质状态。”
谜团解开了？
一些物理学家接受了“毛球”理论，而不是传统的黑洞图像——华纳在工作中使用了二十年“毛球”理论。但“毛球”理论并不是信息悖论的唯一可能解决方案，也不是调和广义相对论和量子力学的唯一方法。其他科学家提出，答案可能在于岛屿、防火墙、全息图或虫洞。所有这些理论都试图解释霍金最早注意到的“丢失”或被破坏的信息。
虽然“毛球”理论的计算在纸上（或在计算程序中）是可行的，但“毛球”和黑洞的行为差异不够大，研究人员无法在自然界中检验它们的存在。梅德罗斯说，她负责事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）的引力物理工作组（该望远镜是捕捉2019 年第一张黑洞图像的全球望远镜网络），她表示：“我倾向于希望事物能够被检验。”“而弦理论非常难以检验。”
一些研究人员在各种信息悖论的解决方案之间不偏不倚。“我喜欢对事物采取一种更具包容性的观点。我不认为必须只有一种方法，”多伦多大学（University of Toronto）的物理学家 A.W. Peet 说，他们一直在利用“毛球”理论来研究信息悖论。不过，最近，他们一直在研究全息原理，该原理将黑洞视为二维屏幕而不是三维物体，并将吞噬的信息保存在事件视界上。“我认为，采取不同方法的人之间的争论已经产生了一些非常有成效的结果，”Peet 指出，“但我认为，试图找到一个‘唯一的正确答案’并忽视其他方法可能不是最富有成效的前进方向。”
梅德罗斯说，她也不局限于任何一种理论。尽管如此，她指出，科学家们正处于黑洞天体物理学新时代的开端。“我认为这是我希望的、一个非常富有成效的新领域的开端，在那里我们可以最终将天体物理学和高能理论结合起来。”
与此同时，马图尔的工作并未止步于“毛球”。他现在正在将他的发现应用于宇宙的其他部分，因为宇宙的膨胀几乎是黑洞收缩的镜像。马图尔说：“你在天空中所理解的一切，都必须首先理解黑洞的魔力。”“量子引力改变了黑洞的整个结构。所以现在的问题是，‘它对整个宇宙学的整个结构会产生什么影响？’我认为它已经改变了。”
