黑洞新說

■ 陳壯叔

它是宇宙中最可怕的天體，任何東西敢于攔它的路，都將被其吞食而尸骨不留。因此，掉入黑洞也就意味著徹底毀滅。不過最近幾年來，這個看法似乎出現(xiàn)了裂縫，科學(xué)家在更深刻地探索宇宙時，發(fā)現(xiàn)黑洞并非是一個無底洞，甚至也不是一個洞。目前，激烈的爭論涉及黑洞究竟包藏著什么。

“黑洞”一詞出于著名物理學(xué)家惠勒。20世紀(jì)60年代，他在思考這樣一個問題：當(dāng)物質(zhì)堆積在時空中的一點時，若其密度處于無限密實，那將會發(fā)生什么情況？例如，當(dāng)一顆恒星燃盡其核燃料，此時其殘存物質(zhì)使自己塌縮，既快又猛。這些物質(zhì)的引力將壓倒其自身相斥的自然趨勢，只要這顆恒星足夠大，其結(jié)果就是塌縮成一個奇點，它的周圍是一個所謂的視界，整個結(jié)構(gòu)稱為黑洞。為何要把它叫做黑洞呢？這是因為任何東西（包括光）一旦穿過視界這條界限，它就永無返回之日，視界內(nèi)任何東西的最終命運，都是被擠入奇點。

到了1975年，黑洞的面貌有了改變。劍橋大學(xué)的物理學(xué)家霍金提出了“黑洞不黑”的著名論斷，一鳴驚人，也由此被譽為愛因斯坦第二。他指出，黑洞將緩慢而不可抗拒地蒸發(fā)，人們稱之為霍金輻射。按量子論，在成對的虛粒子中，粒子被吸入黑洞，而反粒子則攜帶以霍金輻射為形式的正能量逃逸。隨著時間的流逝，黑洞最終將完全蒸發(fā)入空間。

自從霍金輻射這個概念提出之后，物理學(xué)界一直對落入（黑洞） 物質(zhì)的信息問題爭論不休。在相對論看來，物質(zhì)的有關(guān)信息落入黑洞后將消失；而按照量子論，它們最終將逃逸。霍金在早期曾聲稱，霍金輻射的隨遇性意味著能量（也即物質(zhì)） 將逃逸，而信息不能，于是就出現(xiàn)了“信息佯謬”的問題。但在2004年，霍金改變了自己的看法。他的反復(fù)不是偶然的，正是人們重新思考黑洞規(guī)律這一思潮的一部分。

這一重新思考來自物理學(xué)的進(jìn)展，具體地說，來自弦論?？茖W(xué)界長期以來企圖把廣義相對論（這是一個描述大尺度空間的理論） 和量子論（它所描述的是微觀世界）統(tǒng)一起來，而弦論被認(rèn)為是能夠把上述兩種理論結(jié)合起來的最好的理論，它已有20年的歷史。弦論斷言，時空以及其中的萬物，皆由振動著的弦組成，它非常微小，且有一種弦?guī)еΑ?/p>

20世紀(jì)90年代中期，科學(xué)家斯特羅明格和伐法首次把弦論應(yīng)用于黑洞，著手研究信息佯謬。按照弦論，黑洞內(nèi)部又是什么樣呢？他們發(fā)現(xiàn)，弦和弦論中的其他東西可能建立起一個高密度的小結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)運行起來就像黑洞，它們的引力拉力可以阻止光從中逃出。他們還計算了在這些黑洞中弦有多少種排列的狀態(tài)，結(jié)果數(shù)目大得驚人?？吹竭@里也許有人要問，弦具有多少種排列狀態(tài)？跟黑洞有何關(guān)系？

先讓我們回顧一下。

20世紀(jì)70年代，霍金等物理學(xué)家利用量子論計算了一個黑洞的熵。一個客體的熵，大致上是它所含信息量的量度，也就是說，熵測量了組成一個客體的單元可以有多少種不同狀態(tài)的排列?，F(xiàn)在我們可以看到，斯特羅明格跟早年霍金計算的對象，根本就是一回事。更令人興奮的是，弦的不同狀態(tài)排列數(shù)，跟霍金等對熵的計算相吻合。這使人們相信，弦構(gòu)成黑洞的有效性。

但上述斯特羅明格的計算，并不告訴人們弦是如何排列的。2004年，物理學(xué)家馬圖爾和他的同事們，著手研究了黑洞內(nèi)弦的位形。他們說，弦總是相互連接，形成一個大而松軟的弦，它要比奇點大得多。馬圖爾小組計算了弦黑洞的總體物理面貌，按照新的認(rèn)為，他們把黑洞稱為“毛球”或“弦星”。讓馬圖爾吃驚的是，他們發(fā)現(xiàn)，這種由大弦構(gòu)成的黑洞與傳統(tǒng)理論中的視界一樣大。馬圖爾說：“弦正在改變我們關(guān)于黑洞內(nèi)部的圖景，它將真正意味著，這幅中心有一個黑點的圓洞的圖景是錯誤的。”

在馬圖爾的毛球模型中，雖如上述也有一個視界，但其性質(zhì)大不一樣。在傳統(tǒng)看法中，視界是一個很明確的、具有極限意義的界限，任何東西進(jìn)入這一界限，最終必在黑洞的奇點上被粉碎。而在毛球模型中，視界是一個由弦組成的泡沫狀的東西，而不是一個明確的邊界。

那么在毛球中，信息的境遇又會怎樣？首先，毛球中沒有奇點，球內(nèi)弦物質(zhì)的各種途徑到達(dá)其視界，這意味著信息能藏在弦中，并“打印”在外出的霍金輻射上。

現(xiàn)在可拿一個例子來做比較。試想，將奶油放入一杯黑咖啡，然后把咖啡和奶油滴入老式黑洞，它們將奔向奇點并消失，你將永遠(yuǎn)看不到二者混合的結(jié)果；若把奶油和咖啡滴入毛球，那么有關(guān)二者混合的信息將編碼在弦的振動上，外射的霍金輻射將攜帶著每個奶油和咖啡粒子狀態(tài)的詳細(xì)信息。故馬圖爾說：“在這里，沒有信息問題。”

不過，至今馬圖爾的毛球思想還是相當(dāng)初步的。他還不能確定，他的模型如何適用到大型黑洞上，也不了解黑洞隨著時間是如何演化的？

最近，霍羅維茲和馬爾達(dá)什納也提出了信息能帶出黑洞的看法，但跟馬圖爾不同的是，他們相信黑洞中心確有奇點。他們說，信息可通過量子的遠(yuǎn)程傳送機制而逃逸。遠(yuǎn)程傳送概念認(rèn)為，一個粒子的態(tài)，可在一瞬內(nèi)傳送到甚遠(yuǎn)程之外的另一粒子。故霍羅維茲等說，擊中奇點物質(zhì)的信息可通過霍金輻射而外逸。

但霍羅維茲等的思想要想正確，還得加上一個前提，那就是落入（黑洞）物質(zhì)和外向的霍金輻射不能相互碰撞。否則，就將破壞遠(yuǎn)程傳送過程。量子信息理論戈特斯曼和普雷斯基爾說，這種破壞是很容易發(fā)生的。不過后來又有理論物理學(xué)家認(rèn)為，所有這些破壞實際上都將相互抵消，并聲稱在他的計算中，一個黑洞的極大部分信息可能永遠(yuǎn)保存著，而其他的一切最終都將逃逸。他還認(rèn)為這一點適用于任何黑洞，不論是大到星系中心的超級黑洞，或小到一個粒子內(nèi)的微型黑洞。

而戈特斯曼對遠(yuǎn)程傳送的批評不肯放松，或者說更為致命。他指出，這種效應(yīng)比光通信還要快，而這一點被相對論所禁忌；此外，遠(yuǎn)程傳送機制還依賴于這樣一個假設(shè)，即黑洞內(nèi)每個單元物質(zhì)的量子態(tài)必須都相同，在這樣的條件下，量子論允許一個粒子態(tài)對另一粒子態(tài)加上一個瞬間效應(yīng)，但這無法適用于通信。戈特斯曼得出結(jié)論說，遠(yuǎn)程傳送機制不能很好運作。實際上他懷疑，如果信息佯謬的看法是錯誤的，可是我們無法知道它錯在何處。

這個問題也困繞著量子引力理論家雅各布森。他仍然相信，落入黑洞的信息對于黑洞的外部世界而言，是永遠(yuǎn)消失了。他認(rèn)為遠(yuǎn)程傳送機制尤其不可信，他說：“打算把信息外送，這是孤注一擲的思想?！逼鋵嵾B霍羅維茲等人自己，也不敢確信那是行得通的。他說：“我們提出的只是一種可能性，這在弦論上并無很好的基礎(chǔ)?！毖鸥鞑忌喈?dāng)堅持自己的觀點，他認(rèn)為黑洞外部和內(nèi)部之間的聯(lián)系在弦論中十分復(fù)雜，人們也許只是簡單地按照他們的需要假定了他們想要的結(jié)論。而且在弦論中，信息這個概念十分微妙，迄今還沒有很好的定義。

信息消失是一個關(guān)鍵問題，這也反映出，我們對黑洞的認(rèn)識太粗淺。

信息是否能從黑洞中逃逸，或者被破壞，至今仍是一個熱門的爭論課題。現(xiàn)在看來還有第三種可能性，這基于所謂的環(huán)量子引力論，這是一個對弦論具有挑戰(zhàn)性的理論。該理論的領(lǐng)頭人斯莫林說，時空由比弦還要小的環(huán)所組成，環(huán)又連接起來，形成一個帶有結(jié)和分枝的網(wǎng)，稱為自旋網(wǎng)絡(luò)。這個模型的優(yōu)點是：時空本身可從這些網(wǎng)絡(luò)中涌出，而不必像弦論中那樣假設(shè)。

還有一位引力問題理論家應(yīng)用自旋網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)制了一個黑洞模型。他發(fā)現(xiàn)，描述時空的方程式適用于一個有序的途徑，即使在奇點上也然。這跟一般的黑洞模型大不相同，在那些模型中，當(dāng)時空塌縮時物理方程即被破壞。因此，這一概念意味著到達(dá)奇點的信息可能仍保存著，并被編碼在自旋網(wǎng)絡(luò)中。在這一概念提出之前人們一直認(rèn)為，被黑洞捕去的信息不可能隨著霍金輻射外逸。而這一概念認(rèn)為，這些保存著的信息可以等待足夠長的時間，當(dāng)黑洞蒸發(fā)后它們將重新加入到宇宙的其他部分。

科學(xué)家大都認(rèn)為，今后不論什么理論取代相對論，就黑洞而言，一個最大的可能是它不會像我們一直以來所想象的那樣富有戲劇性。說到底，誰會感到一個弦球神秘莫測呢？