（點(diǎn)擊上圖購買此書）
Q：對于太空旅行者，跌入黑洞是否為壞消息？
A：“絕對是壞消息。如果它是一個(gè)恒星質(zhì)量的黑洞，你會(huì)在到達(dá)視界之前被制成意大利面。另一方面，如果它是一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，你將輕松地越過視界，但在奇點(diǎn)處被毀滅?！?/em>
黑洞中是什么？
▲4 月 10 日 21 點(diǎn)公布的人類首張黑洞照片
據(jù)說事實(shí)有時(shí)候比小說更奇怪，而且找不到比黑洞的情況更能真實(shí)地體現(xiàn)這一點(diǎn)的了。黑洞比科幻作家夢想的任何東西都更奇怪，但它們是堅(jiān)實(shí)的科學(xué)事實(shí)。
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?？臻g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。首先，它的作用是長程的。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，所以它們在奇點(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，它們對外界屏蔽的話，我們就不會(huì)受到預(yù)測崩潰的影響。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?；堇盏男略煸~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。
▲約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler，1911 年 7 月 9 日—2008 年 4 月 13 日），美國物理學(xué)家、物理學(xué)思想家和物理學(xué)教育家。
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。
在我的女兒露西出生后不久，我有了一個(gè)尤里卡時(shí)刻。我發(fā)現(xiàn)了面積定理。如果廣義相對論是正確的，并且物質(zhì)的能量密度是正的，就像通常這種情況，那么事件視界，即黑洞的邊界的表面積，具有當(dāng)額外物質(zhì)或輻射落入黑洞時(shí)總是增加的性質(zhì)。此外，如果兩個(gè)黑洞碰撞并合并成一個(gè)黑洞，則圍繞被產(chǎn)生的黑洞的事件視界的面積大于圍繞原先黑洞的事件視界的面積之和。面積定理可以通過激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）的實(shí)驗(yàn)測試。2015 年 9 月 14 日，LIGO 探測到來自兩個(gè)黑洞的碰撞和合并的引力波。人們可以從波形估計(jì)黑洞的質(zhì)量和角動(dòng)量，并按照無毛定理確定視界面積。
這些性質(zhì)暗示，在黑洞事件視界的面積和傳統(tǒng)的經(jīng)典物理學(xué)，特別是熱力學(xué)中熵的概念之間存在相似之處。熵可以被視為對一個(gè)系統(tǒng)的混亂的測度，或者相當(dāng)于對其精確狀態(tài)的缺乏了解的測度。著名的熱力學(xué)第二定律說，熵總是隨著時(shí)間的推移而增加。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是這個(gè)關(guān)鍵聯(lián)系的第一個(gè)提示。
黑洞性質(zhì)和熱力學(xué)定律之間的類比可以被擴(kuò)展。熱力學(xué)第一定律說，一個(gè)系統(tǒng)的熵的微小變化伴隨著該系統(tǒng)的能量的成比例變化。布蘭登·卡特、吉姆·巴丁和我發(fā)現(xiàn)了一道類似的定律，它把黑洞質(zhì)量的變化和視界面積的變化聯(lián)系起來。這里的比例因子涉及一個(gè)被稱為表面引力的量，它是在事件視界上的引力場強(qiáng)度的度量。如果人們接受事件視界的面積類似于熵，那么似乎表面引力類似于溫度。事件視界上的所有點(diǎn)的表面引力都是相同的，這一事實(shí)使這個(gè)類似得到加強(qiáng)，正如處于熱平衡的物體的溫度處處相同一樣。
盡管熵與事件視界的面積之間存在清楚的相似性，但該面積如何被確認(rèn)為黑洞本身的熵對我們并非顯而易見。黑洞的熵意味著什么？雅各布·貝肯斯坦于 1972 年提出了關(guān)鍵的建議，當(dāng)時(shí)他是普林斯頓大學(xué)的一名研究生。該建議是這樣的：當(dāng)黑洞通過引力產(chǎn)生坍塌時(shí)，它迅速安定到一種靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)由質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷這三個(gè)參數(shù)來表征。
這使得黑洞的最終狀態(tài)似乎與坍縮的天體是由物質(zhì)還是反物質(zhì)組成，或者它是球狀還是高度不規(guī)則形狀無關(guān)。換句話說，給定質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷的黑洞可由大量物質(zhì)的不同配置中任何一個(gè)的坍縮而形成。這樣看起來同樣的黑洞可能是由大量的不同類型的恒星坍縮形成的。確實(shí)，如果忽略量子效應(yīng)，由于黑洞本身可以由無限多的質(zhì)量無限小的粒子云的坍縮形成，配置的數(shù)目將是無限的。但是，配置的數(shù)目真的可以是無限的嗎？
眾所周知，量子力學(xué)涉及不確定性原理。它斷言，人們不可能同時(shí)測量任何物體的位置和速度。如果有人精確地測量某物的位置，那么它的速度就是不確定的。如果有人測量某物的速度，那么它的位置就是不確定的。在實(shí)踐中，這意味著無法對任何東西進(jìn)行局域化。假設(shè)你想要測量某物的大小，那么你需要找出這個(gè)移動(dòng)物體終端的位置。你永遠(yuǎn)不能準(zhǔn)確地做到這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼘⑸婕皽y量該物在同一時(shí)刻的位置及速度。由此，則無法確定一個(gè)物體的尺寸。由于不確定性原理，你不可能準(zhǔn)確地說出某物的大小真正是多少。其結(jié)論是，不確定性原理對物體大小施加了限制。經(jīng)過些微計(jì)算后，人們發(fā)現(xiàn)，對于一個(gè)物體的給定質(zhì)量，存在一個(gè)最小的尺度。對于重物而言，這個(gè)最小尺度很小，但是當(dāng)看到越來越輕的物體時(shí)，最小尺度變得越來越大。這個(gè)最小尺度可被認(rèn)為是在量子力學(xué)中物體可以同時(shí)被認(rèn)為是波或粒子的這一事實(shí)的結(jié)果。物體越輕，其波長越長，因此更加分散。物體越重，其波長越短，因此看起來更緊湊。當(dāng)這些思想與廣義相對論相結(jié)合時(shí)，意味著只有比特定重量更重的物體才能形成黑洞。這個(gè)重量與一粒鹽的重量大致相同。這些想法的進(jìn)一步結(jié)果是，形成給定質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷的黑洞的配置數(shù)目盡管可以非常大，但也還是有限的。雅各布·貝肯斯坦建議，從這個(gè)有限數(shù)目，人們可以解釋黑洞的熵。這就是在創(chuàng)生黑洞的坍縮期間似乎無法挽回喪失的信息量的測度。
▲照片公布前根據(jù)現(xiàn)有物理理論的計(jì)算機(jī)模擬黑洞圖像
貝肯斯坦建議顯然的致命缺陷是，如果黑洞擁有與其事件視界的面積成比例的有限的熵，那么它也應(yīng)該具有非零溫度，該溫度與其表面引力成比例。這意味著黑洞能與某一非零溫度下的熱輻射處于平衡。然而根據(jù)經(jīng)典概念，不存在這樣的平衡，因?yàn)楹诙磿?huì)吸收落在它上面的任何熱輻射，但根據(jù)定義不能夠反過來發(fā)出任何東西。它不能發(fā)射任何東西，也不能發(fā)射熱。
這就產(chǎn)生了有關(guān)黑洞——由恒星坍縮創(chuàng)造的令人難以置信的密集天體——的性質(zhì)的一個(gè)悖論。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。
