第六十三章《斯蒂芬·霍金传》（10）

part09发现黑洞：黑洞可能是其他宇宙的入口“黑洞”这个名字，总是令人感觉神秘、遐想联翩。那么，究竟什么是“黑洞”呢？

在现代的广义相对论中，“黑洞”是宇宙空间内存在的一种密度无限大、体积无限小的天体，如果想要让地球变成一个黑洞，那么需要把地球压缩成一颗豌豆那么大才可以。而且，所有的物理定理在遇到黑洞之后都会失效。

黑洞有一个边界，叫作事件视界。任何靠近黑洞边界的物质都会被黑洞吸收进去；而这些被吸收吞噬的物质却无法逃脱出来，即使光线也不例外。因此，黑洞获得了一个并不优雅的外号：“太空中最自私的怪物。”

然而，量子力学理论的产生和发展为黑洞的研究提供了新的视角和维度。在20世纪70年代，科学家霍金以量子力学为基础，对黑洞进行了更为仔细和缜密的研究，发现黑洞并非像传统观念中那样“自私”，只进不出，它有时候也会非常“慷慨”。为什么这么说呢？就随我们一起进入霍金的黑洞世界寻找答案。

发现黑洞的蒸发现象

霍金黑洞蒸发现象是基于“霍金辐射”理论而产生的。在解释他的这一理论之前，我们需要先了解和明确一个与之密切相关的理论——爱因斯坦的广义相对论。

广义相对论的理论在于描述物质之间引力的相互作用，它包含两个基本原理：等效原理（惯性力场和引力场的动力学效应是局部不可分辨的，即可以假设引力和惯性力是等效的）和广义相对性原理（所有的物理定律在任何参考系当中都取相同的形式）。根据广义相对论的预言和理论，爱因斯坦提出，由一维时间和三维空间所组成的四维当中，在这局部的惯性系之内不存在引力，而在任意的参考系内则存在引力。引力引起时空的弯曲，时空的弯曲结构和强度则取决于物质能量和动量的密度在时间和空间中的分布，反过来，时空的弯曲结构决定了物体的运动轨道。基于广义相对论，引力是时空弯曲的一种结果和效应，而决定曲率的则是物质的质量。也就是说，相同体积的物质，质量越大，那么这一物质边界所导致的时空曲率就越大。一个有质量的物质在时空当中运动，在特定环境之下，这一物质加速运动能够使曲率产生变化，并且以波的形式从辐射源向外以光的速度传播能量，这种传播现象就被称为“引力波”。

在广义相对论中，时空的曲率无线大。基于广义相对论，人们通过计算机模拟一颗恒星坍塌，结果这一恒星浓缩为黑洞并释放出引力波。这一过程预言了黑洞的存在。

黑洞，是指一颗星体体积足够小、质量足够大时，它的引力使得时空中的一块区域出现极端扭曲，产生强大的引力，以至于光都无法逃脱和穿越。现代广义相对论中，黑洞是宇宙空间内存在的一种密度无限大、体积无限小的天体。

具体而言，黑洞就是一个中心密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇点，它的周围是一部分处于真空状态的天区。在这个区域之内，一切的范围凑不可见。根据广义相对论，黑洞产生的具体过程是这样的：一颗恒星有自己的生命周期，当它的能量渐渐消失，即将寿终正寝时，它会在自身重力的作用下不断压缩、坍塌、最终爆炸。它不断压缩——包括时间和空间——成为一个体积无限小的奇点，而质量不会改变，最终成为黑洞。由于高质量所产生的引力，它会吞噬掉周围所有的光线和任何物质，黑洞是由质量高于太阳几十甚至几百倍的恒星演化而来的。

1974年，霍金发现了黑洞的蒸发现象，这一现象的发现则是基于广义相对论所创立的量子理论。量子力学理论当中，能量为零的状态是不存在的，真空并非意味着没有任何场、粒子和能量，不过是一种能量最低的状态，而不是真正意义上的“真空”。之所以如此，是由于质量与能量的等价性，真空中的能量涨落就可以导致基本粒子的生成。根据能量守恒定律，每一种基本粒子的生成都会出现一种与之对应的反粒子，二者相遇，就会相互抵消，将质量转化为能量。同样，一定的能量也可以看作正反一对粒子，这样，就所谓真空而言，也意味着没有任何的粒子产生和消灭，这就是量子真空的状态。霍金发现，在每个微黑洞周围，量子真空会被它周围的强引力场所极化，这就意味着黑洞在通过黑体辐射释放出粒子，即是霍金辐射，并有可能通过这种机制导致黑洞最终蒸发。

人们发现黑洞，往往是因为黑洞周围的气体能够产生辐射。这是天体物理中的一个普遍过程，叫作“吸积”。例如恒星是由气体云在其自身的引力作用下碎裂塌缩，进而通过吸积而形成。黑洞也是如此，它会吸积靠近它的一切物质，除此之外，霍金发现黑洞还会向外辐射粒子。

我们一般认为，任何物质都是不能从黑洞中逃脱出来的，但是霍金结合广义相对论和量子理论发现，黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量。

根据德国著名物理学家，量子力学的主要创始人维尔纳·卡尔·海森堡的不确定性原理，黑洞周围的量子真空状态下，一对正反粒子在任何地点、时刻都有可能产生，这对粒子产生后会面临四种命运：第一，两个粒子相遇、湮灭；第二，反粒子被黑洞吸收，基本粒子正粒子成功逃脱；第三，正粒子被黑洞捕获，反粒子逃逸；第四，两颗粒子同时被黑洞吸收。根据能量守恒定律，能量不能凭空创生，逃走的粒子携带着被吸入黑洞中的粒子的能量——这也可以理解为一个反粒子被吸入黑洞，就相当于一粒基本粒子从黑洞中逃走。这样，就意味着黑洞的总能量减少了。霍金计算了这四种情况发生的概率，结果发现第二种情况最为常见。据爱因斯坦的公式e=mc2，能量的减少会导致黑洞质量的损失。由于黑洞有倾向地捕获反粒子，导致相同数量的正粒子逃逸，黑洞自发地损失了能量，也就是损失了质量。这样，随着黑洞能量的损失，黑洞的质量会越来越小。由于微黑洞的尺度与基本粒子相当，能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离，其结果就是粒子逃出，在外部观测者看来，黑洞在蒸发，即发出粒子流。

此外，霍金在计算当中还有一个非常重要的发现：黑洞的质量和温度、辐射成反比关系，即黑洞的质量越大，温度越弱，辐射越低。霍金的计算还有一个重要发现：黑洞的质量越小，温度越高，辐射越强。所以可以得知，粒子流只有对微小的黑洞才会有特殊的影响，对于那些巨型的黑洞，发射粒子的过程则非常缓慢，相当于蒸发。这一过程有可能超越宇宙的年龄，只是假设宇宙的寿命足够长，那么这些巨型黑洞最终还是会被蒸发掉。也就是说，黑洞在吞噬一切，包括自己。

“灰洞”理论：黑洞并不黑

黑洞是爱因斯坦广义相对论最著名的预测之一，它的质量之大、产生的引力场之强，让其周围的任何辐射和物质都无法逃脱。这仿佛一个无底洞，任何物质一旦进去，就似乎永远没有出头之日，如同热力学上完全不反射光线的黑体，因此称它为“黑洞”。

关于黑洞的“黑”，早在200多年以前，法国和英国就有学者提出：“一个质量足够大但体积足够小的致密恒星会产生强大的引力场，以至于连光线都不能从其表面逃逸，因此它对我们来说是完全‘黑’的。”后来，1915年爱因斯坦发表广义相对论，美国物理学家奥本海默依据广义相对论证实了黑洞的存在：黑洞的边界被称为“视界”，如果某个天体的半径小于史瓦西半径，那么这个天体就应该是“黑”的，因为它的自身我们无法看到。

黑洞之所以被认为是“黑”的，在于其引力行为和事件视界上。“引力行为”我们很好理解，即任何物质都无法逃脱其强大的引力场，一旦靠近就会被吞噬，这就如同一个无底的黑洞一样。“事件视界”则是指，只有在事件视界之外的物质才会被人们所感知和察觉，而在事件视界之内的任何东西我们都无从知晓，即使是光线也无法逃脱黑洞引力的控制。所以，我们说黑洞是“黑”的，就如同一条单行道，只能进去，不能出来。

霍金对黑洞的研究，为宇宙中最致密的天体行为提供了很多可能性解释及参考，但是2014年1月24日，霍金在发表的一篇《黑洞的信息保存与气象预报》论文中提出，“宇宙中没有黑洞”，存在“灰洞”。这个理论震惊了物理学界，乃至整个世界。在这一理论当中，霍金指出，黑洞其实只是一个拥有极端物理条件的“灰色地带”，进入黑洞之中的物质不会被永久封闭或者消失，而是可以再“回”到宇宙当中，它们会在某个节点被“释放”出来。在这里，霍金提出“灰洞”理论，并不是说黑洞真的不存在，而是为了化解广义相对论与量子理论在黑洞当中的矛盾。

霍金说：“在经典理论中，黑洞不会放过任何东西，量子理论允许能量和信息逃离黑洞。”这就是二者的矛盾之处。很多年里，霍金一直证明各种假设和推测来解释这一自相矛盾的说法，但是一直没有结果，以至于“问题的正确解释仍然是一个谜”。

根据爱因斯坦的广义相对论，由于重力的存在，黑洞是存在明显边界的，只是它与宇宙当中的其他区域没有明显的区别，因而未被人们所发觉。之前科学家做过这样一个假设：如果一名宇航员不幸落入黑洞会是什么样的结果？为此，物理学家们根据广义相对论，假设宇航员在不知情的情况下落入黑洞，那么他会在黑洞的核心奇点处灰飞烟灭。后来，又有科学家依据量子理论推导出，宇航员无法到达黑洞的核心，黑洞的视界是一片类似“火墙”的区域，宇航员会在这里就被直接“烧焦”。而霍金认为，人们此前对黑洞的边界理论认识是不完善的，量子在黑洞周围会造成剧烈的时间空间波动，所以黑洞周围“火墙”一样的边界是根本不存在的。

也就是说，事件视界理论需要进一步完善。霍金的“灰洞”理论认为，与传统的事件视界理论不同，黑洞与外界真实的边界应该是一个更加“温和”的“视边界”，而非对立鲜明的“防火墙”。霍金指出，黑洞能够从宇宙中吸收物质和信息，同样也会向外辐射信息，所有的物质和能量在被黑洞困住一段时间之后，就会被重新释放到宇宙当中，而光线也是可以穿越视界的。“在经典理论中，光无法从黑洞中逃脱，在量子理论中，能量和信息可以做到。”当光线逃离黑洞核心时，它的运动就像人在跑步机上奔跑一样，慢慢地通过向外辐射而收缩。关于黑洞的边界，可能存在一个比较明显的“地平线”，其内部量子的波动是黑洞仿佛一个灰色地带，但是不违反任何的广义相对论和量子力学。

霍金在《黑洞的信息保存与气象预报》中指出，“由于无法找到黑洞的具体边界，因此黑洞是不存在的”。过去经典黑洞理论认为，黑洞外部的物质和辐射都可以通过视界被吸入黑洞的内部，但是黑洞内部的信息则无法穿过视界离开黑洞。霍金承认自己最初关于事件视界的认识是错误的，因此提出了最新的“灰洞”理论。

早在2004年，霍金其实就曾经提出过类似的说法。在第十七届国际广义相对论和万有引力大会上，霍金指出黑洞并非和传统认为的那样，对周遭一切都只是吞噬而不释放。而“灰洞”理论的提出，更有力地解释和说明了自己的观点。

在“灰洞”理论之前，霍金就提出了“霍金辐射”理论，并通过计算论证出黑洞的蒸发现象。当然，这是从量子力学理论的角度出发去研究的。“灰洞”理论的提出，也得到了很多科学家的认可，在此之前，美国波士顿大学的k.brecher就提出过存在灰洞的可能性——很多大质量的恒星坍塌后不足以形成黑洞，而是有可能形成比较典型的类似中子星的星体。一般衡量黑洞的标准参考值是其质量要达到太阳的3倍之上，而这些星体不足以达到。灰洞具有不同于中子星的性质，这主要是因为它们塌缩程度的不同。在可见光波段看不见大于太阳质量3倍的星体可能就是很暗的灰洞，而并非黑洞。

同时，霍金也指出，受黑洞强大的引力的影响，被黑洞吸收的物质和能量最终会被释放出去。不过，虽然它们在黑洞之内不会被毁灭，但是会被完全打乱，逃离之后可能会面目全非。

掉进黑洞也可能逃脱

爱因斯坦的广义相对论告诉人们，引力会导致时空扭曲，当一颗超大质量的恒星即将消亡的时候就会产生塌缩，引力场随之也会变得异常强大，这种强大的引力场会吸收所有经过它的物质，包括光线，这就形成黑洞。黑洞对于科学家来说，一直是一个需要不断探索的未解之谜；对于普通人来讲，更是带有诸多的神秘色彩。因此有人会问，如果人掉进黑洞会面临什么样的情况？是被撕成碎片，还是能够安然无恙地逃脱？这也是一个一直困扰人类的谜题。不过，霍金解释，掉进黑洞，并不一定意味着死亡，也许可能会逃脱，不过你的命运也许会因此变得更加怪异和神奇。

在解释这一观点之前，我们先做个假设：假设有一对朋友分别是甲和乙，当甲掉入到黑洞当中之时，乙恰好能够亲眼看到这诡异的一幕。

从乙的角度来看，甲所经历的一切都会变得极为神奇和怪异。当甲不断向黑洞的边界靠近，乙会看到甲的身体不断被拉伸、扭曲，这就如同通过一个凹凸不平的放大镜来看一个人一样。当甲越来越靠近黑洞的边界之时，速度也相应越来越慢；当到达了边界点，乙会看到甲变得静止，仿佛一切就此被按下了停止键；然后甲就静止在那里，身体被不断拉伸，并被炙热的火焰所吞噬。所以，在乙看来，甲这个时候已经慢慢消失，甚至在其穿越黑洞边界之前就已经被烧为灰烬。

这是从乙的角度来看甲掉进黑洞的过程，我们换一个角度，暂时将乙放到一边，从甲本身来看待这件事情，是不是会有所区别呢？答案是肯定的。当甲向未知的黑洞靠近时，他不会有任何的不适，没有拉伸、也没有快慢的变化和可怕的火焰。因为根据爱因斯坦的理论，甲当时正处在自由的落体运动当中，没有任何重力，而且黑洞的边界并非一面实实在在的墙，而是透明无形的。乙无法忽视它，但是甲根本感受不到它的存在，就这样，甲进入到了黑洞当中。当然，如果甲进入的是一个足够大的黑洞，那么他可以安然地度过余生，直到他到达黑洞的奇点时死亡，但是他无法出来。因为甲进入的是时空的裂缝，他的一切感受都来自时间的体验，空间已经不具有任何的意义，时间是单向的，只能向前。

这是一个类比，由此也许有人会问，两个人所看到或感受到的是两种结果，到底哪一种才是真实的呢？甲在黑洞只能一直生活得很好，为什么乙会看到他已经在黑洞的边界化为灰烬了呢？从乙的角度上来讲，甲确实在进入黑洞之前就已经死亡，这是事实。因为从自然的规律来讲，甲的信息永远不能丢失，这是物理学的定律，甲的信息必须被留在黑洞的边界之外，否则乙的物理学定律就会失效。但是从甲自身的角度来讲，他需要有两种状态，一是黑洞边界之外已经化为灰烬的自己，二是在黑洞中安然无恙的自己。也就是说，甲必须同时存在于两个地方，但是事实上，甲只有一个。

这个矛盾的结论就是著名的“黑洞悖论”。近百年来，科学家一直找寻解决这一悖论的理论和方法，有学者认为，黑洞没有所谓的真实，而“真实”取决于站在谁的角度上思考和看待，既有甲所感受到的真实，也有乙所看到的真实。那么，甲到底会不会死去呢？霍金解释说，当你发现自己置身于黑洞当中，先不要惊慌，你可能会死去，但是你的信息一定会被保留，不可能消失得没有一点踪迹。根据霍金辐射，黑洞在不断地蒸发，黑洞的周围存在粒子流。根据量子力学理论，信息是不能被永久消灭的。如果按照传统的观点，认为物质一旦进入黑洞，就会永远无法逃脱，也就意味着被消灭，这与量子力学理论是相悖的。因此，霍金指出，那些被黑洞吸收的信息可能从来没有真正进入黑洞。“我认为，信息并不像我们以前设想的那样存储在黑洞里面，而是在它的边界，即事件视界。”他这样说。

2014年，克里斯托弗·诺兰执导的一部原创科幻冒险电影《星际穿越》或许能够对霍金的这一理论进行一方面的解释：黑洞的事件视界，是一个“不可返回点”的界限，任何物质一旦穿越了这条界限，就会被黑洞吞噬，永远无法返回。而霍金认为，黑洞的事件视界非常复杂，没有人能够对它的情况进行清晰的描述。在霍金之前，也有物理学家提出过相似的理论，认为当一个无尽跨越黑洞的事件视界进入黑洞时，它的信息会被事件视界捕捉并保存（就如同前文中掉入黑洞中的甲，虽然他本人已经进入到了黑洞当中，但是他的本质特征——他的一切信息，都被留在了事件视界当中，即乙所看到的一切）。

依据霍金的理论，这些被保存在事件视界中的信息也是可以逃脱的。在前文中，我们已经了解了他的“霍金辐射”和“灰洞”理论，事件视界中的信息能够被释放就是基于这些观点。黑洞周围不断地释放能量，落入黑洞的人的信息就会在事件视界被这些释放的能量所获取，并且被保留的信息也可以借助这些被释放中的能量而逃脱。不过，霍金也表示：“进入黑洞的粒子的信息虽然回来了，但却处于一种混乱和无用的形式中。从实际用途来说，信息其实是丢失了。”也就是说，被事件视界所保留的信息虽然可能有机会逃脱，但是已被全部打乱重新组合，即使逃脱出来也已经不是原来的信息了。或者更直观地说，甲在不小心落入黑洞之后是有机会逃脱出来的，因为甲的本质特征信息已经在进入黑洞之前被黑洞的边界——事件视界——所捕获和存储，并且有机会借助黑洞向外辐射的能量而逃脱出来，但是逃脱出来的甲的信息已经被打乱了，换一个说法来说，逃脱出来的甲已经不是原来的甲了。

也就是说，一个人掉入黑洞之中并不能够幸存，但是他的特征还是会被保留下来。尽管是如此有限的特征，霍金认为，这些信息“丢失”在黑洞之外总要比消失在黑洞之中要好。

黑洞是“监狱”还是另一个宇宙入口

在前文中，我们已经了解了霍金的一部分关于黑洞的理论。霍金认为，按照人们目前对黑洞的了解以及科学对黑洞的研究，黑洞一直被认为是万事万物“永恒的监狱”，任何物体一旦被黑洞吸收和吞噬，它们包含的信息也会随之全部消失。但是，根据量子力学理论，这一观念是不成立的。因为在量子理论当中，任何信息是不能被永远消灭的，所以黑洞也就并非是“永恒的牢狱”。霍金认为，无论是人还是其他物质，被吸入黑洞并不意味着信息的永久丢失。原先人们认为那些被黑洞吞噬的物质，它们的信息也一同被存于黑洞的内部。但这种观点是不正确的，他们的信息可能会被黑洞的事件视界获取保存下来，也就是存在于黑洞的边界当中，而且在合适的时机这些信息会借助能量逃脱黑洞。

霍金用这一理论解决了著名的“黑洞信息悖论”的同时，他也在暗示，这些被存储的信息可能被放到了另一个平行的宇宙当中。他指出，如果黑洞的质量足够大，并且它在不断地旋转的话，那么这个黑洞就有可能是通往另一个宇宙的通道和入口。“黑洞并不是我们过去想象的永恒的监狱。事物能够逃离黑洞，既能从外面逃脱，也可能穿越到另一个宇宙。”

霍金这一“平行宇宙”观点的提出，再次引发了人们对黑洞的神秘构想。对于“平行宇宙”，我们可以这样理解：它是从某个宇宙当中分离出来的，与原来的宇宙平行存在的一个或几个宇宙，平行宇宙与原来的宇宙既有相似又有不同。在这些平行宇宙当中，或许有一些和我们所生存的宇宙条件相同的，那么它们当中就极有可能存在和我们的宇宙相似的星球和物种。不过，霍金也强调，这些平行宇宙可能会存在不同的发展演变结果，即一个宇宙当中已经灭绝的物种可能在其他的平行宇宙当中正在不断繁衍生息。也就是说，这些平行宇宙处在一个共同的空间体系之中，但是它们的时间体系不同；而从相同的时间体系来看，它们又处在不同的空间体系当中。举一个例子来说明：相同的空间体系就好比在一条铁路上先后疾驰而过的两辆火车，这两辆火车都是在同样的空间，也就是一条铁轨之上，但是它们进入这段铁轨的时间不同；相同的时间体系就如同在同一时间段内，一座立交桥上下两层通道当中同时穿行的汽车，它们在相同的时间之内做了相同的事情，但是分属不同的空间，分别在立交桥的上层和下层。

平行宇宙理论，最早是在公元前5世纪，由古希腊唯物主义哲学家德谟克里特提出。德谟克里特提出了“无数世界”这一概念，他的理论认为，原子通过自身的运动形成“无数世界”，“原子在虚空中任意移动着，而由于它们那种急剧、凌乱的运动，就彼此碰撞了，并且，在彼此碰在一起时，因为有各种各样的形状，就彼此勾结起来，这样就形成了世界及其中的事物，或者说形成了无数世界。”公元前1世纪，罗马共和国哲学家卢克来修指出，我们所生活的世界之外，还存在着“其他的世界”。平行宇宙理论的正式提出，是由物理学家埃弗雷特通过量子测量问题而建立的。埃弗雷特指出，在量子力学当中，存在着很多个平行的世界，在这多个的平行世界当中，每次量子力学的测量结果都不一样，这说明了不同的历史发生在不同的平行宇宙当中。这也就意味着每一个平行宇宙都是一个新宇宙，是绝对没有可能重合的，除非它们完全相同。

在国外，科学家已经试图通过实验证明平行宇宙的存在。欧洲核子研究中心大型强子对撞机科学家指出，在对撞试验中，可能会产生或检测出微型黑洞，不过这个黑洞的出现时间非常短暂，会在很短的时间内迅速蒸发。不过科学家表示，这个微型的黑洞可能是来自另一个平行宇宙。在这个实验之前，人们对平行宇宙的理解都源自于量子力学当中的多重世界，而大型强子对撞机将平行宇宙与黑洞紧密连接起来。在此之前，根据爱因斯坦的广义相对论，每一个黑洞中心都有一个密度无限大的奇点，人被黑洞吞噬之后再逃出的概率为零，他会被黑洞强大的引力场吸引到黑洞中引力无限大的奇点，这个奇点将会把所有的物质压缩成无限密集。但是，美国物理学家阿贝·阿希提卡说：“当你到达广义相对论的奇点，物理学终止了，等式也不成立了。”这也就说明一直的物理定律会在黑洞的“奇点”处失效，很多年以来，科学家都在寻找避免物理学定律在奇点失效的方法。

霍金认为，黑洞并非是孤立存在的，两个黑洞可能是平行的宇宙通道，黑洞很可能连接着宇宙的另一端。这与最新的科学研究相一致。科学家最新研究表明，黑洞的中心或许根本就不存在这样的奇点，而是一个高度弯曲的时空区域。在这一理论当中，引力场不会随着你接近黑洞中心不断增强，而是恰好相反，奇点不是终点，随着向黑洞中心的靠近，引力会慢慢地减少，就如同从一个隧道穿越到一个隧道，从一个黑洞的末端进入到了宇宙的另一片区域，也可能是进入到了另一个宇宙。所以，霍金也表示，黑洞并非是“永恒的牢狱”，当一个人不小心进入到黑洞当中之后，也许他无法返回自己原本生活的宇宙，但是也很有可能逃离到另外一个时空。因此，他才得出“黑洞事实上并非是人们所想象的那样摧毁一切，它可能是前往一个平行宇宙的通道”的论断。