霍金：黑洞中是什么？

編者按：4月10日晚上 21 時(shí)，首張黑洞照片全球公開，宏偉太空的秘密正在逐步被人類揭示，面對(duì)浩瀚宇宙，人類不只需要浪漫主義的認(rèn)知，更多的是去挖掘它、理解它，我們只不過都是宇宙的微塵。此前我們推薦了霍金的《十問》，現(xiàn)選摘其中闡釋黑洞的一章，它是確鑿的科學(xué)事實(shí)，卻比科幻小說家的任何幻想更怪異、更離奇。

1783 年，劍橋人約翰·米歇爾首次討論了黑洞。他的論證如下：如果一個(gè)人垂直向上發(fā)射一個(gè)粒子，諸如一個(gè)炮彈，它會(huì)由于引力而減速。最終，粒子將停止向上運(yùn)動(dòng)，并將回落。然而，如果最初的向上速度大于某個(gè)臨界值（稱為逃逸速度），則引力永遠(yuǎn)不會(huì)強(qiáng)到足以阻止粒子，它就會(huì)逃脫。地球的逃逸速度僅稍大于每秒 11 千米，而太陽的逃逸速度約為每秒 617 千米。兩者都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于真正的炮彈的速度。但它們與光速相比又較低，光速是每秒 30 萬千米。因此光可以輕而易舉地離開地球或太陽。然而，米歇爾認(rèn)為可能存在質(zhì)量比太陽大得多的恒星，其逃逸速度比光速還大。我們將無法看到它們，因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的任何光都會(huì)被引力拖曳回來。因此它們被米歇爾稱為暗星，而我們現(xiàn)在稱之為黑洞。

為了理解它們，我們需要從引力開始。愛因斯坦的廣義相對(duì)論描述了引力，這是一個(gè)空間和時(shí)間的，也是引力的理論。空間和時(shí)間的行為受制于一組稱為愛因斯坦方程的方程，那是愛因斯坦于 1915 年提出的。雖然引力是迄今為止已知的自然力中最弱的，但它有兩個(gè)比其他力更關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)。首先，它的作用是長(zhǎng)程的。太陽距離我們 9300 萬英里，它將地球保持在軌道上，而太陽被保持在圍繞銀河系中心的軌道上，該中心大約在 10000 光年遠(yuǎn)。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是引力總是吸引的，不像電力，它可以吸引，也可以排斥。這兩個(gè)特征意味著，對(duì)于一個(gè)足夠大的恒星，粒子之間的引力可以支配所有其他的力，并導(dǎo)致引力崩潰。盡管存在這些事實(shí)，科學(xué)界仍然未能很快地意識(shí)到大質(zhì)量的恒星可能會(huì)在自己的引力作用下往自身坍縮，并弄清楚留下的天體會(huì)如何行為。阿爾伯特·愛因斯坦在 1939 年甚至寫了一篇論文，聲稱恒星在引力作用下不能坍縮，因?yàn)槲镔|(zhì)不能被壓縮超過某種程度。許多科學(xué)家分享了愛因斯坦的直覺。美國(guó)科學(xué)家約翰·惠勒是主要的異見者，他在很多方面都是黑洞故事中的英雄。在他 20 世紀(jì) 50 年代和 60 年代的研究中，他強(qiáng)調(diào)許多恒星最終會(huì)坍縮，并探討了這對(duì)理論物理學(xué)帶來的問題。他還預(yù)見到坍縮恒星變成的天體——黑洞的許多屬性。

在一顆普通恒星超過數(shù)十億年壽命的大部分時(shí)間中，它將依賴把氫轉(zhuǎn)化為氦的核過程產(chǎn)生的熱壓來抵抗其自身的引力。然而，這顆恒星最終將耗盡其核燃料，恒星將收縮。在某些情況下，它可能成為白矮星，那是恒星核心的密集殘余。然而，1930 年，蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡證明白矮星的最大質(zhì)量約為太陽的 1.4 倍。俄羅斯物理學(xué)家列夫·蘭道計(jì)算出一個(gè)類似的最大質(zhì)量，適用于完全由中子構(gòu)成的恒星。

那些質(zhì)量大于白矮星或中子星最大質(zhì)量的無數(shù)恒星，一旦耗盡了核燃料其命運(yùn)將會(huì)如何？后來因原子彈成名的羅伯特·奧本海默研究了這個(gè)問題。1939 年，他在和喬治·沃爾科夫與哈特蘭·斯奈德合作的兩篇論文中，證明了壓力不可能支持這樣的恒星。而如果人們忽視壓力，均勻的球狀對(duì)稱的恒星就會(huì)收縮到一個(gè)無限密度的點(diǎn)。這樣的點(diǎn)被稱為奇點(diǎn)。我們所有的空間理論都是在基于時(shí)空是光滑的、幾乎平坦的假設(shè)之上而表述的，所以它們?cè)谄纥c(diǎn)處，即時(shí)空曲率無限處崩潰了。事實(shí)上，它標(biāo)志著空間和時(shí)間本身的終結(jié)。這正是令愛因斯坦非常反感的東西。

然后第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了。包括羅伯特·奧本海默在內(nèi)的大多數(shù)科學(xué)家，改為關(guān)注核物理，而引力坍縮問題基本上被遺忘了。隨著被稱為類星體的遙遠(yuǎn)天體的發(fā)現(xiàn)，對(duì)這個(gè)論題的興趣又復(fù)活了。第一個(gè)類星體 3C273 于 1963 年被發(fā)現(xiàn)，許多其他類星體也很快相繼被發(fā)現(xiàn)了。盡管它們遠(yuǎn)離地球，它們?nèi)匀缓苊髁痢Ｒ驗(yàn)楹诉^程作為純粹的能量只釋放出它們靜止質(zhì)量的一小部分，所以這無法解釋它們的能量輸出問題。唯一的替代解釋是引力坍縮釋放的引力能量。

恒星的引力坍縮被重新發(fā)現(xiàn)了。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，物體的引力將其周圍的所有物質(zhì)向內(nèi)吸引。很清楚，一個(gè)均勻的球狀恒星將收縮到無限密度的一點(diǎn)，即奇點(diǎn)。但如果這顆恒星不是均勻的球狀，將會(huì)發(fā)生什么呢？這種恒星物質(zhì)的不對(duì)稱分布是否會(huì)引起不均勻的坍縮，并避免出現(xiàn)奇點(diǎn)？在 1965 年的一篇引人注目的論文中，羅杰·彭羅斯證明，只要根據(jù)引力是吸引的這個(gè)事實(shí)，仍然會(huì)存在一個(gè)奇點(diǎn)。

愛因斯坦方程不能在奇點(diǎn)處定義，這意味著在這一具有無限密度的點(diǎn)上，人們無法預(yù)測(cè)未來。這意味著，只要一顆恒星坍縮就會(huì)發(fā)生奇怪的事情。如果奇點(diǎn)不是赤裸的，也就是說，它們對(duì)外界屏蔽的話，我們就不會(huì)受到預(yù)測(cè)崩潰的影響。彭羅斯提出了宇宙監(jiān)督猜想：由恒星或其他天體坍縮而形成的所有奇點(diǎn)都隱藏在黑洞內(nèi)部而不被看到。黑洞是引力太強(qiáng)以至于光線無法逃逸的區(qū)域。宇宙監(jiān)督猜想幾乎肯定是正確的，因?yàn)樵S多證偽它的嘗試都失敗了。

約翰·惠勒在 1967 年提出“黑洞”這個(gè)術(shù)語，它取代了早先的“凍星”這個(gè)名字。惠勒的新造詞強(qiáng)調(diào)，坍縮恒星的殘余本身就很有趣，和它如何形成無關(guān)。新名字很快就廣為流行。

從外面看，你不能知道黑洞里面是什么。無論你投入什么，或者無論它如何形成，黑洞看起來都是一樣的。約翰·惠勒由于以“黑洞無毛”來表達(dá)這個(gè)原理而聞名于世。

黑洞有一個(gè)被稱為事件視界的邊界。正是在這個(gè)地方，引力剛好強(qiáng)到足以將光線拖曳回來并防止它逃脫。因?yàn)闆]有東西可以旅行得比光快，所以其他一切也都會(huì)被拖曳回來。跌入事件視界有點(diǎn)兒像乘獨(dú)木舟越過尼亞加拉大瀑布。如果你是在瀑布上方，要是你足夠快速劃槳離開，你可以逃脫落下的命運(yùn)。但是一旦你越過邊緣就會(huì)完蛋，根本無法返回。當(dāng)你越來越接近瀑布時(shí)，水流就變得越來越急。這意味著，拉獨(dú)木舟的前部的力比拉后部的力更強(qiáng)大，獨(dú)木舟會(huì)有被拉斷的危險(xiǎn)。黑洞的情形也一樣。如果你的腳首先跌入黑洞，引力拉你的腳比拉你的頭更厲害，因?yàn)槟_離黑洞更近。結(jié)果你的縱向被伸展，而橫向被壓扁。如果黑洞的質(zhì)量是我們太陽的幾倍大，在到達(dá)視界之前，你就會(huì)被撕裂，變成意大利面條。然而，如果你陷入了一個(gè)大得多的黑洞，其質(zhì)量超過太陽的 100 萬倍，那么作用到你整個(gè)身體的引力拉力將是相同的，你就會(huì)毫無困難地到達(dá)視界。所以，如果你想探索一個(gè)黑洞的內(nèi)部，一定要選擇一個(gè)大黑洞。在我們的銀河系中心有一個(gè)黑洞，其質(zhì)量約為太陽的 400 萬倍。

盡管當(dāng)?shù)牒诙磿r(shí)，你不會(huì)注意到任何特別的東西，但是從遠(yuǎn)處看你的人永遠(yuǎn)不會(huì)看到你越過事件視界。相反的，你似乎會(huì)放慢速度并在外面盤旋。你的形象會(huì)越來越暗淡，越來越紅，直到你實(shí)際上從視線中消失。就外部世界而言，你將永遠(yuǎn)逝去。

一種理論建議，具有相同性質(zhì)的黑洞可以由無限數(shù)目的不同類型的恒星形成。另一個(gè)建議說，這個(gè)數(shù)字可能是有限的。這是一個(gè)信息論問題——宇宙中的每個(gè)粒子和每個(gè)力都包含信息的思想。

因?yàn)檎缈茖W(xué)家約翰·惠勒所說，黑洞無毛，除了它的質(zhì)量、電荷和旋轉(zhuǎn)，人們無法從外面說出黑洞內(nèi)部是什么。這意味著，黑洞必須包含大量對(duì)外面世界隱藏的信息。但是能塞到一個(gè)空間區(qū)域的信息量有個(gè)極限。信息需要能量，而根據(jù)愛因斯坦著名的方程 E=mc2，能量具有質(zhì)量。所以，如果在一個(gè)空間區(qū)域存在太多信息，它將坍縮變成黑洞，而黑洞的大小會(huì)反映信息量的多少。這就像把越來越多的書籍堆進(jìn)圖書館。最終，書架就會(huì)垮掉，圖書館就會(huì)坍縮成黑洞。

如果隱藏在黑洞內(nèi)的信息的數(shù)量取決于黑洞的大小，人們從一般原則能預(yù)期到黑洞會(huì)有一個(gè)溫度，并會(huì)像一塊熱的金屬一樣發(fā)光，但那是不可能的，因?yàn)檎缑總€(gè)人都知道的那樣，沒有任何東西可以擺脫黑洞。至少那時(shí)候都是這么認(rèn)為的。