黑洞里面是什么

石無魚/文

黑洞是充滿神秘感的天體。“知人知面不知心”，我們雖然對黑洞的外部表現(xiàn)已經(jīng)十分了解，但對黑洞的“內(nèi)心”卻知之甚少。

比方說我們知道黑洞這個怪物具有強(qiáng)大的引力，即使運(yùn)動速度最快的物體——光——從它身邊經(jīng)過，也會像餓人抽面條一樣被吸進(jìn)去。但是那么多東西吸進(jìn)去之后，它們的命運(yùn)又如何？科學(xué)家們對此卻沒有統(tǒng)一答案。有的人說它們最后擠成了一個沒有體積、密度無窮大的幾何點(diǎn)（即奇點(diǎn)）；也有人說它們穿越時空，在另一個地方噴了出來；還有人說，這些物質(zhì)在沒被擠成一個點(diǎn)之前，就發(fā)生了一場類似宇宙大爆炸式的爆炸，形成了一個新的宇宙，而我們說不定就生活在這樣一個宇宙之中……等等。

黑洞的“內(nèi)心”真是太難測了！在天文學(xué)家的努力“偷窺”下，對于黑洞內(nèi)部的情況，如今已經(jīng)略知一二了。下面，就讓我們看看黑洞的內(nèi)部世界可能是什么面貌。

在談?wù)摵诙磧?nèi)部的事情之前，首先讓我們來看看黑洞可能會有什么樣的形狀。

我們知道，黑洞之所以為黑洞，就在于其表面附近極強(qiáng)的引力。當(dāng)光從它身邊經(jīng)過時，都“肉包子打狗——有去無回”，任憑我們使盡手段也無法得到一點(diǎn)反饋的信號，于是我們自然就說它是一個“黑”洞了。

但是，我們說黑洞具有強(qiáng)大的引力只是指它表面附近而言的。引力與距離的平方成反比，距離增大到原先的10倍，引力將減小到原先的100倍；我們知道銀河系中存在著很多黑洞，但它們對地球的影響微乎其微，就因地球距離它們太遙遠(yuǎn)之故。

在離黑洞中心一定距離處，引力剛好強(qiáng)大到足以把光線都能吸進(jìn)去，我們就稱這個距離為“事件視界”，簡稱“視界”。在視界之外，光還是可以逃脫黑洞魔掌的，逃出來的光可以被我們觀測到；但對于視界以內(nèi)發(fā)生的事情，因?yàn)闆]有任何信號可以逃得出這個界限，我們就兩眼抹黑，什么也不知道了；哪怕有位科學(xué)家掉進(jìn)黑洞并幸存了下來，把他的所見寫成一篇論文，他也沒法拿到黑洞外面的我們這個世界來發(fā)表。

我們所說的黑洞內(nèi)外之分，就是對于這個視界而言的。視界把黑洞分成了內(nèi)外，黑洞的形狀也就是它的視界的形狀。

還需要說明的一點(diǎn)是，黑洞強(qiáng)大的引力其實(shí)不在于它的質(zhì)量，而在于它的體積。我們知道，引力和距離的平方成反比，天體的質(zhì)量越集中，半徑越小，表面的引力也就越大。比方說，要想讓地球變成一個黑洞，須把它壓縮到半徑4毫米以下即可。事實(shí)上，任何質(zhì)量的一團(tuán)物質(zhì)，只要壓縮到體積足夠小，都可以變成黑洞。

一團(tuán)球形的物質(zhì)，被壓縮到足夠小時，就變成了球形的黑洞，這是不難理解的。但一團(tuán)立方體的物質(zhì)，保持形狀不變，壓縮到足夠小，是否會變成立方體的黑洞呢？

科學(xué)家經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這種黑洞并不存在。當(dāng)這塊立方體被壓縮到一定程度，它會向外發(fā)射強(qiáng)烈的引力波，把自己的邊邊角角修去，以便越來越接近球形（引力波所攜帶的能量是從這些邊邊角角上的物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來的）；當(dāng)它變成黑洞時，已經(jīng)是一個標(biāo)準(zhǔn)的球形了。

這就告訴我們，一團(tuán)物質(zhì)一旦變成黑洞，它就把有關(guān)自己前身的信息都抹去了，我們無從知道它是從阿貓還是阿狗變來的。此外，黑洞自身也是一個“信息粉碎機(jī)”，比方說，我們朝黑洞里扔進(jìn)一只老母雞，它一旦鉆進(jìn)黑洞的視界，我們就兩眼抹黑，再也無法追蹤觀察它最后的命運(yùn)了。假如有人硬說，你扔進(jìn)去的是一只鴨，除非你手上碰巧留著一根雞毛，否則也駁不倒他。沒有信號能越出黑洞的視界，這反過來也就是說，不論黑洞內(nèi)部發(fā)生什么，都不可能以任何方式影響外面我們身處的宇宙中來，而這一點(diǎn)也是廣義相對論所要求的。

讀到這里，你可能要納悶了：既然這樣，那怎么知道黑洞里有什么呢？談?wù)撨@種話題，我們豈不有點(diǎn)像談鬼那樣不著邊際嗎？的確，在此天文觀測已經(jīng)毫無幫助，不過人類的聰明之處就在于他掌握著物理定律，可以在理論上解答實(shí)驗(yàn)上無法回答的問題。

對于物理學(xué)家來說，迄今研究黑洞最強(qiáng)有力的工具就是愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論告訴我們，物質(zhì)跟時空是分不開的，引力的本質(zhì)是時空的彎曲等等，這是我們需要知道的一點(diǎn)準(zhǔn)備知識。

“黑洞里有什么？”最先來回答這個問題的是美國物理學(xué)家奧本海默。1939年，他利用廣義相對論對球狀恒星在自身引力作用下的坍縮做了一項(xiàng)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)球狀恒星變成一團(tuán)足以把光囚禁住的天體后，并不會到此罷休，而是會繼續(xù)無情地坍縮下去，直至在中心形成一個沒有體積、密度無窮大的奇點(diǎn)。假如一個宇航員腳朝奇點(diǎn)落下去，他的身體會漸漸拉得像堂吉訶德那樣又瘦又高，最后落入奇點(diǎn)時，他在頭腳方向已經(jīng)被拉得無限長，而橫向則被壓得沒影了（假設(shè)他有無限的彈性）。最難以理解的是，宇航員雖然身高無窮大，卻又出不了黑洞視界——因?yàn)榧偃缢兂梢桓糇犹匠龊诙吹囊暯?，那就要對我們這個世界產(chǎn)生影響了，比方說把人嚇成神經(jīng)病等等，這可是廣義相對論所不允許的——而我們知道，一個黑洞不管有多大，它的視界總還是有限的，怎容得下無限長棒呢。

在理論上，物理學(xué)家最頭疼的就是遇到無窮大，無窮大像一只跳蚤，咬著他們的神經(jīng)，一旦出現(xiàn)，他們就要把整個理論里里外外翻檢一遍，看看什么地方錯了?，F(xiàn)在，在奧本海默的計(jì)算中，不僅出現(xiàn)一個密度無窮大的奇點(diǎn)，這個奇點(diǎn)甚至還有更古怪的性質(zhì)：任何掉進(jìn)它的物體在縱向都會被拉成無窮長，而這個無窮長又不能超出黑洞有限尺寸的視界！這個結(jié)論夠荒謬了吧？不用說，所有人都認(rèn)為他的計(jì)算肯定在什么地方出了問題。

問題出在哪兒呢？蘇聯(lián)物理學(xué)家栗弗席茲認(rèn)為，毛病可能出在奧本海默在計(jì)算中引入了太多理想化的假設(shè)：比如要求這團(tuán)恒星物質(zhì)必須是完全球狀的，密度必須絕對均勻，沒有旋轉(zhuǎn)，里面的氣體沒有一絲擾動……等等，這些條件其實(shí)沒有一項(xiàng)在現(xiàn)實(shí)中能夠滿足。栗弗席茲經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算后證明，奧本海默的奇點(diǎn)是不穩(wěn)定的，只要上述條件中有一項(xiàng)不滿足（比方說你朝這團(tuán)氣體吹口氣，讓它產(chǎn)生小小的擾動），奇點(diǎn)就不能形成，所以奧本海默的黑洞奇點(diǎn)只存在于想像中，不可能在真實(shí)的宇宙中存在。

事情到這一步似乎讓人可以松口氣了，但正所謂“你要是把魔鬼趕出門外，它就會從煙囪里鉆進(jìn)來”。據(jù)回憶，那是1964年晚秋的一天，英國數(shù)學(xué)家彭羅斯在過馬路的時候，突然產(chǎn)生一個很美妙的思想，他頓時手舞足蹈起來。在此后的幾個星期，他把這個思想寫成了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。這個“美妙的思想”對物理學(xué)家可不“美妙”，它像一紙判決，嚴(yán)正地宣布了黑洞的最后的命運(yùn)：只要按照廣義相對論，不論這個黑洞是以什么形式變來的，每一個黑洞都必然會有一個奇點(diǎn)。要黑洞避開奇點(diǎn)，是不可能的！

彭羅斯的證明用到了數(shù)學(xué)上的一個分支——拓?fù)鋵W(xué)，這門學(xué)科當(dāng)時很少為物理學(xué)家所知。栗弗席茲聽到彭羅斯的證明，很是吃了一驚，長久不敢相信。但隨后的一些年，科學(xué)家們漸漸接受了彭羅斯的結(jié)論。栗弗席茲檢查自己以前所做的計(jì)算，也發(fā)現(xiàn)在奧本海默的模型中引進(jìn)微小的擾動之后，奧本海默式的奇點(diǎn)（因?yàn)槠纥c(diǎn)也有好些類，除了“沒有體積、密度無窮大”這一共性外，理論家根據(jù)自己模型的需要還會賦予其他一些附加的特性）是不能形成了，卻形成了另一類奇點(diǎn)，真所謂“前門趕走了狼，后門又引來了虎”。于是，他向彭羅斯認(rèn)輸了。

那么，關(guān)于奇點(diǎn)目前我們知道些什么呢？首先，奇點(diǎn)是空間中這樣一個點(diǎn)，這個點(diǎn)沒有長度、面積、體積，總之沒有尺寸；其次，它的質(zhì)量盡管是有限的，但密度卻無窮大，那里的物質(zhì)以什么樣的形態(tài)存在，我們至今依然一無所知；最后還知道，在我們這個世界行之有效的物理規(guī)律一到奇點(diǎn)，就統(tǒng)統(tǒng)失效。

這個怪里怪氣的奇點(diǎn)對于自負(fù)的物理學(xué)家來說，真是個不小的打擊，他們辛辛苦苦研究出來的物理定律竟然在這么一個小小的點(diǎn)上載了跟頭！好在奇點(diǎn)都裹在黑洞的視界以內(nèi)，即便那里發(fā)生再稀奇古怪的事情，也影響不到我們這個世界，物理學(xué)家就算討厭它，但也還是可以做到“眼不見，心不驚”。

寫到這里，讓我們先來總結(jié)一下，看看傳統(tǒng)的黑洞理論對“黑洞里是什么？”這個問題一般是怎么回答的吧。

假如黑洞還在吸積著物質(zhì)，你不妨把自己想像成一個正往黑洞里掉的宇航員，并且有著一雙能洞察一切波長光波的眼睛（因?yàn)橐话闳说难劬χ荒芸吹娇梢姽獠ǘ蔚墓獠?，即使黑洞周圍充滿著很多高能射線，他們也看不見）。物質(zhì)在往黑洞里掉的時候，因?yàn)楸舜四Σ?，會產(chǎn)生上百萬度的高溫，溫度一高又會發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，所以你將看到周圍一片光亮，——當(dāng)然黑洞視界所在的區(qū)域還是一片漆黑的，畢竟那兒什么光都出不來。好，現(xiàn)在你已經(jīng)越過了黑洞的視界，就像但丁進(jìn)了地獄的門，門上寫著“所有進(jìn)來的人，把一切希望都拋在后面吧！”，因?yàn)槟阋残菹朐倩厝チ恕?/span>

假如你還活著，那么會驚訝地發(fā)現(xiàn)，進(jìn)了視界這道“門”之后，原先在遠(yuǎn)處看起來黑咕隆咚的地方，竟然也是一片光亮。這是怎么回事？

道理很簡單，因?yàn)槟切└阋粔K越過視界的物質(zhì)，在往奇點(diǎn)掉的過程中依然還在摩擦著發(fā)光。這些光雖然逃不出視界，但置身于視界里面，你就可以看得到了。這些光在“嗖嗖”地往奇點(diǎn)飛去。至于奇點(diǎn)本身，你能看到的是那里顯得特別明亮，因?yàn)樗拿姘朔降墓舛纪莻€點(diǎn)上跑，而所有的物質(zhì)也被撕得粉碎，變得透明了，不妨礙你的視線。

要是黑洞已經(jīng)把周圍的物質(zhì)吸得一干二凈，沉寂下來了呢？那當(dāng)然，黑洞的里里外外，除了中心有一個奇點(diǎn)，就啥都沒有了。但奇點(diǎn)沒有體積，你也看不到它。這個時候，你要是成心想尋出一點(diǎn)物質(zhì)的痕跡來，那么除了虛空，說實(shí)話還真可以說空無一物。這時的黑洞，仿佛一位入定的老僧，吃飽喝足之后念叨道：“本來無一物，何處惹塵埃？”仿佛它從來沒有“惹過塵?！?，但一股把你往里拽的強(qiáng)大引力就讓它露餡了。你恍然大悟，原來這個空無一物的地方，其實(shí)就是宇宙中最可怕的“怪獸”的棲身之地！

我們迄今都只限于在廣義相對論的框架內(nèi)談?wù)摵诙础５?dāng)物質(zhì)在黑洞里不斷坍縮，越來越小，以至于接近體積為零的奇點(diǎn)時，我們事實(shí)上就進(jìn)入了微觀領(lǐng)域。這時候廣義相對論還適不適用，我們可不知道，不過有一點(diǎn)是顯然的，那就是不能不考慮統(tǒng)治微觀世界的物理學(xué)規(guī)律——量子力學(xué)。

相對論和量子力學(xué)是20世紀(jì)物理學(xué)的兩大基石。但很遺憾的是，它們在很多觀念上是彼此矛盾的。隨便舉個例子，比如在相對論中，時間、空間是密不可分的，而在量子力學(xué)中，它們卻依然彼此獨(dú)立。好在廣義相對論的應(yīng)用范圍一般說來是空間的大尺度結(jié)構(gòu)，而量子力學(xué)主要應(yīng)用于微觀世界，它們井水不犯河水，倒也相安無事。但一旦涉及黑洞的奇點(diǎn)，——這里引力極其強(qiáng)，空間彎曲得很厲害，同時尺度又非常小——就不能不把兩者聯(lián)合起來考慮了?？晌覀冎两襁€沒有能把廣義相對論和量子力學(xué)融合在一起的滿意理論呢。

假如考慮量子力學(xué)，我們對于黑洞奇點(diǎn)的理解會增加哪些新的認(rèn)識呢？

首先，直接的一個結(jié)果是，奇點(diǎn)不可能無限小，也就是說，那種理想化的沒有體積大小的奇點(diǎn)并不存在。這是因?yàn)楦鶕?jù)量子力學(xué)，空間并不是無限可分的，它有一個最小的尺度，即普朗克長度，大約是10

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米。黑洞奇點(diǎn)的直徑自然也不應(yīng)該小于這個數(shù)值。所以，奇點(diǎn)的尺寸固然非常小，但還不完全是零。

其次，在那樣一個微乎其微的空間里，空間也不再像廣義相對論所描述的處處連續(xù)光滑的了，而是此起彼伏地冒著時空泡沫，物理學(xué)家稱之為“量子泡沫”。其實(shí)，量子泡沫不僅存在于黑洞奇點(diǎn)，也存在于宇宙中的任何一處，譬如說此刻在你的房間，在你的大腦里。任何一塊空間，只要你能把它不斷放大，放大到一定程度，你總會發(fā)現(xiàn)原先光滑、連續(xù)的空間不見了，見到的是沸騰的量子泡沫。這跟你用肉眼看一面鏡子是光滑的，但在高倍顯微鏡下，卻發(fā)現(xiàn)它充滿了坑坑洼洼是一個道理。這些量子泡沫什么時候，在什么地方，以什么形狀冒出來，是完全無法預(yù)測的。我們只能估算它們出現(xiàn)的概率。

當(dāng)然了，這只是我們在引入量子力學(xué)之后對奇點(diǎn)的初步認(rèn)識，要徹底了解它的奇異性還有待于將來一個能把廣義相對論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來的理論。

其實(shí)，一旦考慮量子，人們對黑洞本身的認(rèn)識也發(fā)生了一場飛躍。比方說，以前我們總認(rèn)為黑洞是個一毛不拔的“鐵公雞”，物質(zhì)在那兒只進(jìn)不出。但英國物理學(xué)霍金在計(jì)算中引入量子力學(xué)后卻發(fā)現(xiàn)，黑洞也能輻射粒子，也就是說，黑洞在蒸發(fā)！

這樣一來，黑洞在人們心目中也由原先的一毛不拔的“鐵公雞”形象，一變而為也會把自己的巨額財(cái)產(chǎn)稍稍打發(fā)掉一點(diǎn)的“吝嗇鬼”形象了，這多少給它增添了一點(diǎn)“人情味”。