史蒂芬·霍金：黑洞不“黑”

秦鵬

大多數(shù)物理學(xué)家若是敢愣頭愣腦地寫(xiě)篇論文，宣稱(chēng)“根本沒(méi)有黑洞”——至少?zèng)]有我們平常想象的那種黑洞——估計(jì)都會(huì)被列為二百五。但若提出來(lái)要重新定義這些宇宙怪獸的人是史蒂芬·霍金（Stephen Hawking），這就值得大家正經(jīng)考慮一下了。在一篇在線(xiàn)發(fā)表的論文中，這位英國(guó)劍橋大學(xué)的物理學(xué)家作為現(xiàn)代黑洞理論的創(chuàng)立者之一，推翻了事件視界（event horizon）的概念。所謂事件視界，是被認(rèn)為包覆于每個(gè)黑洞周?chē)牟豢梢?jiàn)的邊界。一旦進(jìn)入了這個(gè)邊界，包括光在內(nèi)的一切都將永無(wú)逃離之日。

霍金在他這次驚世駭俗的主張當(dāng)中，以溫和得多的“表觀視界”（apparent horizon）代替了事件視界。表觀視界只會(huì)暫時(shí)地禁錮物質(zhì)和能量，最終還是會(huì)把它們釋放出來(lái)，盡管已是面目全非。

“在經(jīng)典理論中，什么都不能從黑洞中逃脫?！被艚饘?duì)《自然》雜志說(shuō)。然而量子理論卻“意味著能量和信息能夠逃離黑洞”。若要完滿(mǎn)地解釋這一過(guò)程，這位物理學(xué)家承認(rèn)，人們需要一個(gè)能將引力和其他基本自然力統(tǒng)一起來(lái)的理論。然而這個(gè)目標(biāo)已經(jīng)令物理學(xué)家上下求索了接近一個(gè)世紀(jì)?！罢_的解答，”霍金說(shuō)，“依然是不解之謎?！?/p>

霍金1月22日將論文發(fā)表在了arXiv預(yù)刊本服務(wù)器上。他為其取了個(gè)古怪的標(biāo)題《信息留存與黑洞天氣預(yù)報(bào)》（Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes）。這篇論文是根據(jù)2013年8月他通過(guò)Skype在加利福尼亞圣芭芭拉市凱維里理論物理研究所的一次會(huì)議上發(fā)表的講話(huà)整理而成的，目前還沒(méi)有接受過(guò)同行評(píng)議。

火墻的困擾

霍金這項(xiàng)新的研究旨在解決所謂的黑洞火墻悖論。自打由凱維里研究所的理論物理學(xué)家約瑟夫·玻爾欽斯基（Joseph Polchinski）及其同事提出來(lái)，該悖論已經(jīng)折磨了物理學(xué)家們差不多兩年。

在一項(xiàng)思想實(shí)驗(yàn)中，研究者對(duì)一名不幸落入黑洞的宇航員的命運(yùn)提出了追問(wèn)。事件視界的存在是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論簡(jiǎn)單而直接的數(shù)學(xué)推論。1915年下半年，愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論還不到1個(gè)月，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）便在寫(xiě)給愛(ài)因斯坦的一封信中指出了這一點(diǎn)。長(zhǎng)久以來(lái)物理學(xué)家們一直認(rèn)為，在這一場(chǎng)景中，宇航員在越過(guò)事件視界之時(shí)還是無(wú)憂(yōu)無(wú)慮的，渾然不知即將到來(lái)的霉運(yùn)。之后他被慢慢拉向中心，途中身體被拉伸得越來(lái)越細(xì)長(zhǎng)，渾如一根蘭州拉面。最終他將在奇點(diǎn)——理論上密度無(wú)窮大的黑洞中心——被壓縮得無(wú)影無(wú)蹤。

然而在細(xì)致分析這一情景時(shí)，玻爾欽斯基的團(tuán)隊(duì)有了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：描述小尺度粒子行為的量子理論將之前認(rèn)為的情形完全改變了。他們說(shuō)，量子理論決定了事件視界事實(shí)上必然是一個(gè)高能區(qū)域，或者說(shuō)是一道會(huì)把宇航員燒成薯?xiàng)l的“火墻”。

結(jié)果是學(xué)界一片人心惶惶，因?yàn)榛饓碚撟袷亓肆孔永碚?，卻難與愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論兼容。根據(jù)廣義相對(duì)論，自由跌落者感知到的物理定律在宇宙中的各處都應(yīng)當(dāng)是一致的，不管他是在落向黑洞還是飄行在空寂的星際空間。對(duì)愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)，事件視界實(shí)在是個(gè)平淡無(wú)奇的所在。

被拋棄的視界

現(xiàn)在，霍金提出了簡(jiǎn)單得令人心癢的第三種觀點(diǎn)。量子力學(xué)和廣義相對(duì)論依然完好無(wú)損，但黑洞不再擁有一個(gè)火爆的事件視界。他的觀點(diǎn)的核心是，量子效應(yīng)在黑洞周?chē)斐闪丝癖┑臅r(shí)空漲落，以至于無(wú)法存在一個(gè)平滑的邊界面。

霍金提出了“表觀視界”來(lái)替代事件視界，這個(gè)概念指的是試圖逃離黑洞核心的光線(xiàn)被禁錮之處。根據(jù)廣義相對(duì)論，對(duì)穩(wěn)定的黑洞來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)視界是相同的，因?yàn)樵噲D從黑洞內(nèi)部逃脫的光線(xiàn)抵達(dá)事件視界之后便再無(wú)前途，就如同被困在了跑步機(jī)上。不過(guò)原則上這兩個(gè)視界也可以不是一回事。如果黑洞吞下了更多物質(zhì)，事件視界便會(huì)膨脹，超過(guò)表觀視界。

20世紀(jì)70年代，霍金還提出過(guò)一種相反的情形：黑洞會(huì)因?yàn)榘l(fā)出“霍金輻射”而慢慢縮小。在這種情況下，理論上來(lái)講事件視界會(huì)變得比表觀視界還小。霍金的最新理論認(rèn)為表觀視界才是黑洞真正的邊界?！皼](méi)有事件視界意味著沒(méi)有黑洞——假如我們將黑洞理解為光線(xiàn)永遠(yuǎn)無(wú)法逃脫的區(qū)域?！?/p>

“霍金設(shè)想的情形聽(tīng)上去挺有道理?！奔幽么蟀５旅深D市艾伯塔大學(xué)的物理學(xué)家、黑洞專(zhuān)家唐·佩奇（Don Page）說(shuō)。他曾于20世紀(jì)70年代與霍金合作?！澳憧梢哉f(shuō)否定事件視界的存在挺激進(jìn)的。但我們探討的問(wèn)題高度符合量子條件，就連時(shí)空尚且含義模糊，更別提是否存在一個(gè)可以被視作事件視界的明確區(qū)域了?！?/p>

對(duì)于霍金提出的黑洞可以沒(méi)有事件視界的觀點(diǎn)，佩奇是接受的，但他質(zhì)疑單此一說(shuō)是否足以解決火墻悖論。他告誡稱(chēng)，哪怕轉(zhuǎn)瞬即逝的表觀視界也會(huì)造成與事件視界同樣的問(wèn)題。

與事件視界不同，表觀視界會(huì)最終消失。佩奇指出，霍金將一種“原則上任何事物都可以逃離黑洞”的極端場(chǎng)景呈現(xiàn)于世人面前。霍金并未在論文中明確指出表觀視界消失的方式，但佩奇推斷，當(dāng)其收縮到一定尺度，便有可能在量子力學(xué)和引力的共同作用下消失。到時(shí)候曾被黑洞困住的一切都將被釋放，盡管已不是當(dāng)初的模樣。

如果霍金是正確的，那么在黑洞的中心甚至可能并不存在奇點(diǎn)。實(shí)際情形可能是，物質(zhì)只是被暫時(shí)困在表觀視界下面。表觀視界在黑洞引力作用下逐漸內(nèi)移，但永遠(yuǎn)不會(huì)被擠壓到中心。物質(zhì)攜帶的信息不會(huì)遭到毀滅，但會(huì)被搞得亂七八糟，以至于當(dāng)其經(jīng)由霍金輻射被釋放出去的時(shí)候，形式已經(jīng)大為不同，基本上不可能再依據(jù)它推斷出當(dāng)初被吞沒(méi)的是什么物體。

“這比復(fù)原一本被你燒成灰的書(shū)還要困難?！迸迤嬲f(shuō)。在論文中，霍金則將這種反推比作天氣預(yù)報(bào)：理論上可能，但實(shí)際上很難達(dá)到較高的精確度。

然而，玻爾欽斯基對(duì)于沒(méi)有事件視界的黑洞是否存在表示懷疑。他認(rèn)為足以抹掉事件視界的狂暴漲落在宇宙中太過(guò)罕見(jiàn)。“在愛(ài)因斯坦的引力理論中，黑洞的視界與太空中任何其他區(qū)域并無(wú)太大區(qū)別?！辈枤J斯基說(shuō)，“我們從未在附近空間觀察到時(shí)空漲落：這種現(xiàn)象在大尺度上實(shí)在太罕見(jiàn)了。”

曾經(jīng)師從霍金的加州大學(xué)伯克利分校理論物理學(xué)家拉斐爾·布索（Raphael Bousso）說(shuō)，這個(gè)最新的觀點(diǎn)反映出在物理學(xué)家眼中，火墻可能的存在是多么的“討厭”。然而他對(duì)霍金的解決方案還是持謹(jǐn)慎態(tài)度?！跋鄬?duì)于火墻的存在，黑洞不存在一個(gè)有去無(wú)回的視界的觀點(diǎn)在某些方面更加激進(jìn)、更容易造成問(wèn)題?！彼f(shuō)，“可是霍金發(fā)表其第一篇關(guān)于黑洞和信息的論文足有40年了，我們對(duì)這些問(wèn)題的討論仍未休止，這一事實(shí)足以證明它們的重大意義。”（來(lái)源：果殼網(wǎng)）