昨天晚上21 時，首張黑洞照片全球公開，宏偉太空的秘密正在逐步被人類揭示，面對浩瀚宇宙，人類不只需要浪漫主義的認知，更多的是去挖掘它、理解它，我們只不過都是宇宙的微塵。今天我們選摘了霍金在《十問》中闡釋黑洞的一章，它是確鑿的科學事實，卻比科幻小說家的任何幻想更怪異、更離奇。
《十問：霍金沉思錄》
[英] 史蒂芬·霍金(Stephen Hawking) 著
吳忠超譯
湖南科學技術出版社出版
Q：對於太空旅行者，跌入黑洞是否為壞消息？
A：“絕對是壞消息。如果它是一個恆星質量的黑洞，你會在到達視界之前被製成意大利麵。另一方面，如果它是一個超大質量的黑洞，你將輕鬆地越過視界，但在奇點處被毀滅。”
黑洞中是什麼？
▲ 4 月10 日21 點公佈的人類首張黑洞照片
據說事實有時候比小說更奇怪，而且找不到比黑洞的情況更能真實地體現這一點的了。黑洞比科幻作家夢想的任何東西都更奇怪，但它們是堅實的科學事實。
1783 年，劍橋人約翰·米歇爾首次討論了黑洞。他的論證如下：如果一個人垂直向上發射一個粒子，諸如一個炮彈，它會由於引力而減速。最終，粒子將停止向上運動，並將回落。然而，如果最初的向上速度大於某個臨界值（稱為逃逸速度），則引力永遠不會強到足以阻止粒子，它就會逃脫。地球的逃逸速度僅稍大於每秒11 千米，而太陽的逃逸速度約為每秒617 千米。兩者都是遠遠高於真正的炮彈的速度。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，米歇爾認為可能存在質量比太陽大得多的恆星，其逃逸速度比光速還大。我們將無法看到它們，因為它們發出的任何光都會被引力拖曳回來。因此它們被米歇爾稱為暗星，而我們現在稱之為黑洞。
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，這是一個空間和時間的，也是引力的理論。空間和時間的行為受制於一組稱為愛因斯坦方程的方程，那是愛因斯坦於1915 年提出的。雖然引力是迄今為止已知的自然力中最弱的，但它有兩個比其他力更關鍵的優勢。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。第二個優勢是引力總是吸引的，不像電力，它可以吸引，也可以排斥。這兩個特徵意味著，對於一個足夠大的恆星，粒子之間的引力可以支配所有其他的力，並導致引力崩潰。儘管存在這些事實，科學界仍然未能很快地意識到大質量的恆星可能會在自己的引力作用下往自身坍縮，並弄清楚留下的天體會如何行為。阿爾伯特·愛因斯坦在1939 年甚至寫了一篇論文，聲稱恆星在引力作用下不能坍縮，因為物質不能被壓縮超過某種程度。許多科學家分享了愛因斯坦的直覺。美國科學家約翰·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50 年代和60 年代的研究中，他強調許多恆星最終會坍縮，並探討了這對理論物理學帶來的問題。他還預見到坍縮恆星變成的天體——黑洞的許多屬性。
在一顆普通恆星超過數十億年壽命的大部分時間中，它將依賴把氫轉化為氦的核過程產生的熱壓來抵抗其自身的引力。然而，這顆恆星最終將耗盡其核燃料，恆星將收縮。在某些情況下，它可能成為白矮星，那是恆星核心的密集殘餘。然而，1930 年，蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡證明白矮星的最大質量約為太陽的1.4 倍。俄羅斯物理學家列夫·蘭道計算出一個類似的最大質量，適用於完全由中子構成的恆星。
那些質量大於白矮星或中子星最大質量的無數恆星，一旦耗盡了核燃料其命運將會如何？後來因原子彈成名的羅伯特·奧本海默研究了這個問題。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恆星。而如果人們忽視壓力，均勻的球狀對稱的恆星就會收縮到一個無限密度的點。這樣的點被稱為奇點。我們所有的空間理論都是在基於時空是光滑的、幾乎平坦的假設之上而表述的，所以它們在奇點處，即時空曲率無限處崩潰了。事實上，它標誌著空間和時間本身的終結。這正是令愛因斯坦非常反感的東西。
然後第二次世界大戰爆發了。包括羅伯特·奧本海默在內的大多數科學家，改為關注核物理，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天體的發現，對這個論題的興趣又復活了。第一個類星體3C273 於1963 年被發現，許多其他類星體也很快相繼被發現了。儘管它們遠離地球，它們仍然很明亮。因為核過程作為純粹的能量只釋放出它們靜止質量的一小部分，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。
恆星的引力坍縮被重新發現了。當發生這種情況時，物體的引力將其周圍的所有物質向內吸引。很清楚，一個均勻的球狀恆星將收縮到無限密度的一點，即奇點。但如果這顆恆星不是均勻的球狀，將會發生什麼呢？這種恆星物質的不對稱分佈是否會引起不均勻的坍縮，並避免出現奇點？在1965 年的一篇引人注目的論文中，羅傑·彭羅斯證明，只要根據引力是吸引的這個事實，仍然會存在一個奇點。
愛因斯坦方程不能在奇點處定義，這意味著在這一具有無限密度的點上，人們無法預測未來。這意味著，只要一顆恆星坍縮就會發生奇怪的事情。如果奇點不是赤裸的，也就是說，它們對外界屏蔽的話，我們就不會受到預測崩潰的影響。彭羅斯提出了宇宙監督猜想：由恆星或其他天體坍縮而形成的所有奇點都隱藏在黑洞內部而不被看到。黑洞是引力太強以至於光線無法逃逸的區域。宇宙監督猜想幾乎肯定是正確的，因為許多證偽它的嘗試都失敗了。
約翰·惠勒在1967 年提出“黑洞”這個術語，它取代了早先的“凍星”這個名字。惠勒的新造詞強調，坍縮恆星的殘餘本身就很有趣，和它如何形成無關。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—2
▲ 約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler，1911 年7 月9 日—2008 年4 月13 日），美國物理學家、物理學思想家和物理學教育家。
從外面看，你不能知道黑洞裡面是什麼。無論你投入什麼，或者無論它如何形成，黑洞看起來都是一樣的。約翰·惠勒由於以“黑洞無毛”來表達這個原理而聞名於世。
黑洞有一個被稱為事件視界的邊界。正是在這個地方，引力剛好強到足以將光線拖曳回來並防止它逃脫。因為沒有東西可以旅行得比光快，所以其他一切也都會被拖曳回來。跌入事件視界有點兒像乘獨木舟越過尼亞加拉大瀑布。如果你是在瀑布上方，要是你足夠快速划槳離開，你可以逃脫落下的命運。但是一旦你越過邊緣就會完蛋，根本無法返回。當你越來越接近瀑布時，水流就變得越來越急。這意味著，拉獨木舟的前部的力比拉後部的力更強大，獨木舟會有被拉斷的危險。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，因為腳離黑洞更近。結果你的縱向被伸展，而橫向被壓扁。如果黑洞的質量是我們太陽的幾倍大，在到達視界之前，你就會被撕裂，變成意大利麵條。然而，如果你陷入了一個大得多的黑洞，其質量超過太陽的100 萬倍，那麼作用到你整個身體的引力拉力將是相同的，你就會毫無困難地到達視界。所以，如果你想探索一個黑洞的內部，一定要選擇一個大黑洞。在我們的銀河系中心有一個黑洞，其質量約為太陽的400 萬倍。
儘管當跌入黑洞時，你不會注意到任何特別的東西，但是從遠處看你的人永遠不會看到你越過事件視界。相反的，你似乎會放慢速度並在外面盤旋。你的形象會越來越暗淡，越來越紅，直到你實際上從視線中消失。就外部世界而言，你將永遠逝去。
在我的女兒露西出生後不久，我有了一個尤里卡時刻。我發現了面積定理。如果廣義相對論是正確的，並且物質的能量密度是正的，就像通常這種情況，那麼事件視界，即黑洞的邊界的表面積，具有當額外物質或輻射落入黑洞時總是增加的性質。此外，如果兩個黑洞碰撞併合併成一個黑洞，則圍繞被產生的黑洞的事件視界的面積大於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）的實驗測試。2015 年9 月14 日，LIGO 探測到來自兩個黑洞的碰撞和合並的引力波。人們可以從波形估計黑洞的質量和角動量，並按照無毛定理確定視界面積。
這些性質暗示，在黑洞事件視界的面積和傳統的經典物理學，特別是熱力學中熵的概念之間存在相似之處。熵可以被視為對一個系統的混亂的測度，或者相當於對其精確狀態的缺乏瞭解的測度。著名的熱力學第二定律說，熵總是隨著時間的推移而增加。這個發現是這個關鍵聯繫的第一個提示。
黑洞性質和熱力學定律之間的類比可以被擴展。熱力學第一定律說，一個系統的熵的微小變化伴隨著該系統的能量的成比例變化。布蘭登·卡特、吉姆·巴丁和我發現了一道類似的定律，它把黑洞質量的變化和視界面積的變化聯繫起來。這裡的比例因子涉及一個被稱為表面引力的量，它是在事件視界上的引力場強度的度量。如果人們接受事件視界的面積類似於熵，那麼似乎表面引力類似於溫度。事件視界上的所有點的表面引力都是相同的，這一事實使這個類似得到加強，正如處於熱平衡的物體的溫度處處相同一樣。
儘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為黑洞本身的熵對我們並非顯而易見。黑洞的熵意味著什麼？雅各布·貝肯斯坦於1972 年提出了關鍵的建議，當時他是普林斯頓大學的一名研究生。該建議是這樣的：當黑洞通過引力產生坍塌時，它迅速安定到一種靜止狀態，這種狀態由質量、角動量和電荷這三個參數來表徵。
這使得黑洞的最終狀態似乎與坍縮的天體是由物質還是反物質組成，或者它是球狀還是高度不規則形狀無關。換句話說，給定質量、角動量和電荷的黑洞可由大量物質的不同配置中任何一個的坍縮而形成。這樣看起來同樣的黑洞可能是由大量的不同類型的恆星坍縮形成的。確實，如果忽略量子效應，由於黑洞本身可以由無限多的質量無限小的粒子云的坍縮形成，配置的數目將是無限的。但是，配置的數目真的可以是無限的嗎？
眾所周知，量子力學涉及不確定性原理。它斷言，人們不可能同時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，那麼它的速度就是不確定的。如果有人測量某物的速度，那麼它的位置就是不確定的。在實踐中，這意味著無法對任何東西進行局域化。假設你想要測量某物的大小，那麼你需要找出這個移動物體終端的位置。你永遠不能準確地做到這一點，因為它將涉及測量該物在同一時刻的位置及速度。由此，則無法確定一個物體的尺寸。由於不確定性原理，你不可能準確地說出某物的大小真正是多少。其結論是，不確定性原理對物體大小施加了限制。經過些微計算後，人們發現，對於一個物體的給定質量，存在一個最小的尺度。對於重物而言，這個最小尺度很小，但是當看到越來越輕的物體時，最小尺度變得越來越大。這個最小尺度可被認為是在量子力學中物體可以同時被認為是波或粒子的這一事實的結果。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。當這些思想與廣義相對論相結合時，意味著只有比特定重量更重的物體才能形成黑洞。這個重量與一粒鹽的重量大致相同。這些想法的進一步結果是，形成給定質量、角動量和電荷的黑洞的配置數目儘管可以非常大，但也還是有限的。雅各布·貝肯斯坦建議，從這個有限數目，人們可以解釋黑洞的熵。這就是在創生黑洞的坍縮期間似乎無法挽回喪失的信息量的測度。
▲ 照片公佈前根據現有物理理論的計算機模擬黑洞圖像
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，那麼它也應該具有非零溫度，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於平衡。然而根據經典概念，不存在這樣的平衡，因為黑洞會吸收落在它上面的任何熱輻射，但根據定義不能夠反過來發出任何東西。它不能發射任何東西，也不能發射熱。
這就產生了有關黑洞——由恆星坍縮創造的令人難以置信的密集天體——的性質的一個悖論。一種理論建議，具有相同性質的黑洞可以由無限數目的不同類型的恆星形成。另一個建議說，這個數字可能是有限的。這是一個信息論問題——宇宙中的每個粒子和每個力都包含信息的思想。
因為正如科學家約翰·惠勒所說，黑洞無毛，除了它的質量、電荷和旋轉，人們無法從外面說出黑洞內部是什麼。這意味著，黑洞必須包含大量對外面世界隱藏的信息。但是能塞到一個空間區域的信息量有個極限。信息需要能量，而根據愛因斯坦著名的方程E=mc²，能量具有質量。所以，如果在一個空間區域存在太多信息，它將坍縮變成黑洞，而黑洞的大小會反映信息量的多少。這就像把越來越多的書籍堆進圖書館。最終，書架就會垮掉，圖書館就會坍縮成黑洞。
如果隱藏在黑洞內的信息的數量取決於黑洞的大小，人們從一般原則能預期到黑洞會有一個溫度，並會像一塊熱的金屬一樣發光，但那是不可能的，因為正如每個人都知道的那樣，沒有任何東西可以擺脫黑洞。至少那時候都是這麼認為的。
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