茫茫宇宙，一直吸引著我們不竭地探索，不知道大家有沒有對一部動畫片有印象，叫《藍貓淘氣3000問太空歷險記》，在藍貓淘氣護送啦啦公主回奧茲瑪的過程中，向我們講述了一系列航天、天文、物理等方面的有關知識，也是在這部動畫片裡，讓我對宇宙產生了別樣的憧憬。
而說到對宇宙的探索，其中最為我們熟知的就是霍金了，他也被譽為“宇宙之王”。在探索黑洞的路上，霍金更是做出了卓越的貢獻，在這40多年裡霍金關於黑洞的兩次大論戰，讓我們得以更進一步瞭解探索黑洞。
黑洞無毛是否有熵之爭
我們在以前的文章裡說過，史瓦西通過對愛因斯坦場方程的計算，發現存在“黑洞”這一種特殊的天體。
然而那個時候史瓦西並不喜歡這樣的計算結果，所以並沒有給這種特殊天體起名字，1939年，“原子彈之父”奧本海默在史瓦西的基礎上，通過對愛因斯坦場方程的推導，得出了這樣的結論：”一顆足夠重量的死恆星將會崩裂，它製造出極密的堆積，以致光都無法穿越。這顆恆星會一直分裂下去，而宇宙空間則會像個黑斗篷一樣將其包裹。在這個堆積中心，空間會無盡地彎曲，物質無窮密集，形成一種既密實又單一的矛盾景象。”
這也就是我們現在說的物質為零的“黑洞中心”。但是那個時候還沒有一個準確的詞去描述這種現象。
曾研究出“液滴模型”，為後來的原子彈製造打下了基礎的惠勒卻反對奧本海默的說法，他在1958年與奧本海默的論戰中，曾信誓旦旦地說：“這個崩潰理論未能很好地解釋類似恆星中物質的命運，物質怎麼可能竟然發展到無物質呢。畢竟，物理法則怎麼可能發展到違背自己以達到“無物理”的地步呢？”
然而，當隨著解釋這顆崩裂行星的內部和外部的數學公式出現時，他與其他一些學者都被說服了，成了忠實擁護者。
1969年在紐約的一次會議上，他為了說服場下聽眾，他靈機一動，冒出了“黑洞”這個詞，以描述這些恆星可怕而充滿戲劇性的命運。“黑洞”一詞從此流傳開來。
當惠勒提出“黑洞”這個詞時，科學家紛紛對這種特殊的天體產生了極大的興趣，而自此開始了七十年代的黑洞大探索時代，這也是黑洞研究的“黃金十年”。在這段時間內人們給出了黑洞的數學定義和關於黑洞的一些重要性質。例如：奇異性定理、唯一性定理(無毛定理)、黑洞的力學四定律，和霍金輻射等等。這裡我們做一點簡單的介紹。
其中最有名的就是“黑洞無毛是否有熵”之爭。
惠勒當時提出並命名了“黑洞無毛定理”。這個定理是對經典黑洞簡單性的敘述，它說的是，無論什麼樣的天體，一旦塌縮成為黑洞，幾乎不保持形成它的物質所具有的任何複雜性質。它對前身物質的形狀或成分都沒有記憶，它就只剩下電荷、質量和角動量三個最基本的性質。質量M產生黑洞的視界；角動量L是旋轉黑洞的特徵，在其周圍空間產生渦旋；電荷Q在黑洞周圍發射出電力線，這三個物理守恆量唯一地確定了黑洞的性質。因此，也有人將此定理戲稱為“黑洞三毛定理”。（毛髮是形象地比喻黑洞就是光溜溜一個天體，沒有任何複雜性質）
雖然當時這個名字被很多科學家認為有淫穢之嫌，但是卻非常快地流傳開來，1973年霍金、卡特爾等人嚴格證明了“黑洞無毛定理”：“無論什麼樣的黑洞，其最終性質僅由幾個物理量（質量、角動量、電荷）唯一確定”。
霍金在1971~1972年研究了黑洞事件視界截面面積的演化，並發現這個面積是不減的。這就是所謂的黑洞面積定理。黑洞無毛定理表明黑洞的形成會導致熵的丟失。
熵是由德國物理學家克勞修斯於1865年所提出。最初是用來描述“能量退化”的物質狀態參數之一，然而惠勒的學生貝肯斯坦卻認為黑洞的熵應該正比於黑洞事件視界截面的面積。
當時惠勒和貝肯斯坦正在悠然自得地喝下午茶。惠勒突發奇想，問貝肯斯坦：“如果你倒一杯熱茶到黑洞中，會如何？”惠勒的意思是說，熱茶既有熱量又有熵，但一切物質被黑洞吞下後就消失不見了，造成總體的“熵值”似乎不是增加而是減少了，這不是有悖熱力學第二定律嗎？
由此貝肯斯坦才提出黑洞無毛卻有熵的論斷。他認為：“當你扔進黑洞一些物質，例如像惠勒問題中所說的一杯茶。之後，黑洞獲得了質量，黑洞的面積是和質量成正比的，質量增加使得面積增加，因而熵也增加了。黑洞熵的增加抵消了被扔進去的茶水的熵的丟失。”所以貝肯斯坦才提出黑洞的熵應該正比於黑洞事件視界截面的面積。
霍金認為貝肯斯坦理解錯了他的面積不減定理，1973年，霍金與巴丁以及卡特建立了黑洞的力學四定律，來反駁貝肯斯坦，霍金認為，如果有熵的話，就需要一個溫度的概念。有溫度就會存在熱輻射，而這對於經典黑洞來說是不可能的。因為愛因斯坦廣義相對論所預言的“經典黑洞”是無毛的，看起來似乎無熵可言！蓋羅奇甚至在1971年設計了一個模型來反駁貝肯斯坦的說法。
貝肯斯坦陷入了一個非常尷尬的境地，然而惠勒卻很支持他的看法，前蘇聯物理學家澤爾多維奇、斯塔羅賓斯基和美國物理學家米斯納等認為黑洞輻射粒子也不是不可能的，1973年霍金訪問莫斯科，與澤爾多維奇和斯塔羅賓斯基討論了超輻射的問題。霍金認為澤爾多維奇和斯塔羅賓斯基關於超輻射的討論在物理上是可靠的，但不太喜歡他們計算超輻射的方式。所以在他們的基礎上提出了霍金輻射與霍金溫度。然而這兩項理論的提出卻證明了貝肯斯坦的論斷是正確的！
最終，霍金不得不接受了貝肯斯坦關於黑洞熵的想法，並給出了黑洞熵和麵積的比例係數-1/4。這個黑洞的熵的表達式被人們稱為貝肯斯坦霍金熵。這次的論戰可以說促進了黑洞研究的大進步，“黑洞無毛定理”、“黑洞熵概念”、“霍金輻射”、“肯斯坦霍金熵”等都是黑洞理論中的經典概念！
霍金輻射
霍金悖論之爭
1972年，以色列物理學家雅各布·貝肯斯坦發現，黑洞球形事件視界佔據的區域對應於它的“熵”。這是黑洞內全部粒子所有可能的微觀排列方式的數量，或者就像現代理論物理學家描述的那樣，熵是黑洞存儲信息的能力。
貝肯斯坦的見解讓史蒂芬·霍金在兩年後認識到，黑洞是有溫度的，因此它會輻射出熱量。這種輻射會導致黑洞慢慢蒸發掉，1975年，霍金稱自己通過計算得出結論，他認為黑洞在形成過程中，其質量減少的同時還不斷在以能量的形式向外界發出輻射。這就是我們前面剛剛提到的的“霍金輻射”理論。但是，理論中提到的黑洞輻射中並不包括黑洞內部物質的任何信息，一旦這個黑洞濃縮並蒸發消失後，其中的所有信息就都隨之消失了，根據愛因斯坦的理論，信息從我們的這個宇宙中消失，似乎是不可避免的結果。這便是廣受熱議的“黑洞信息悖論”。
霍金認為任何被黑洞吸入的物質會永久消失
該悖論提出了一個疑問：那些落入黑洞的信息發生了什麼？
如果你燃燒兩本大小相同的書但有不同的內容，可能實際上無法重建任何一本書的文字，紙張上的墨水圖案，分子結構的變化以及其他微小差異都包含信息，並且該信息仍然編碼在煙霧，灰，周圍空氣和所有其他正在傳播的粒子。如果能夠以任意精確的方式監控書籍周圍的環境幷包括書本，就能夠重新構建你想要的所有信息，信息會混亂，但不會丟失。然而黑洞信息悖論是：在黑洞視界上留下的所有信息一旦蒸發，在我們可觀測宇宙（即哈勃體積直徑約1000億光年）中不會留下任何痕跡（故不能被重建）。
物質進入黑洞
在當時“黑洞悖論”觀點受到了量子物理學者的質疑，科學家們認為被黑洞“吞掉”的物質的信息最終將會隨黑洞一起消失，在量子物理的角度上是無法解釋的。量子力學稱，宇宙保留了有關過去的所有信息。這種信息丟失應該被量子力學的規則所限制，任何系統都可以用量子波函數來描述，每個波函數都是唯一的。如果在時間上發展量子系統，兩種不同的系統不可能達到相同的最終狀態。
波函數
也就是說在黑洞信息悖論裡有一件事情是必須發生的：
1、當黑洞蒸發時，任何信息都會以某種方式被破壞，告訴我們有關於黑洞蒸發的新規則和規律（霍金的觀點，符合愛因斯坦的相對論）
2、或者釋放出的輻射包含了這些信息、這意味著霍金輻射比我們迄今為止所做的計算還要多。（其他量子物理學者的觀點）
為此，30年來學術界一直存在著爭論。說通俗一些就是霍金認為被吸入黑洞的物體會真正在外部世界“消失”，不留一點痕跡，即使黑洞蒸發了，也不會再出現。而量子物理學者則認為物質的形式可以相互轉換，但不可能完全消失。
而這正是愛因斯坦的相對論與量子力學的又一次激烈交鋒！
由此霍金和加州理工學院理論物理學家約翰·普瑞斯基爾進行了20世紀最為著名的一次打賭：輸者向勝利者提供一部百科全書，從百科全書中可以隨意再現信息。
黑洞信息悖論由此被稱為”跨世紀的十大物理問題”，被科學界廣為關注。
為了解釋黑洞裡的信息去哪裡了，為什麼會消失，霍金提出黑洞可能可以通往另一個宇宙空間，這正好可以用來解釋被黑洞吞噬的物質和能量去了哪裡。
然而2004年霍金的態度令人吃驚的逆轉，他在都柏林舉行的“第17界國際廣義相對論和萬有引力大會”上，他表示自己對有關信息，問題的看法錯了，因而上了紐約時報的頭版，他重新的進行了某些他早期的計算，得出結論說，“（黑洞裡）沒有我曾設想過的子宇宙分支，物質信息仍然牢牢地保存在我們這個宇宙裡。我很遺憾這讓科幻迷們失望了，但如果物質信息被保存了，（我們）就不可能利用黑洞去別的宇宙空間旅行。”
“如果你跳進一個黑洞，你的物質能量將以一種‘被撕裂'的形式返回到我們的宇宙中，其中包含你以前的信息，但是已經處於無法辨認的狀態。”
2004年，霍金在柏林發表自己對於黑洞信息悖論的最新看法
然而霍金的言論卻掀起了軒然大波，無論霍金的支持者信念崩塌，苦苦研究了幾十年，卻在一朝之間卻被否定。
芝加哥大學教授黑洞專家沃爾德說：“霍金完全改變了他自己以前的觀點，霍金以前認為進入黑洞的一切都會被‘沖走'。現在他相信從黑洞釋放出的任何物質都能追溯到來源。他已經偏離了我們仍然堅信的理論。”
哥倫比亞大學翁魯說：“部分問題在於他提供的詳細證據太少，因此我們不可能知道這些計算結果是否值得相信。斯蒂芬·霍金並不傻，因此我們會認真考慮他的話……但我們所聽到的整個理論似乎純粹來自推理。”
雖然霍金自敗賭局，然而關於黑洞信息悖論的爭議卻遠遠沒有結束，這一悖論本身暴露，廣義相對論和量子力學的不協調性，其中一定蘊藏著更為奇特的物理學規律。如何找到兩者的相同點，實現量子力學與相對論的大融合，是許多弦理論科學家探索的目標。
霍金雖然在兩次論戰中都以失敗告終，可是他對與科學的不竭探索以及實事求是的精神，永遠值得我們學習。
他創造的一系列的劃時代黑洞研究成果，也並不會因為這些論戰而被抹殺，他證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理，提出了黑洞蒸發理論和無邊界的霍金宇宙模型，在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面走出了重要一步。
如今，我們依然拍攝到黑洞的照片，黑洞完全暴露在我們面前，還會遠嗎？
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