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黑洞不是洞 广义相对论预测了黑洞的存在，却留下了信息佚失的矛盾。现在好了，利用量子效应也许能避免黑洞形成，以密度极高的天体“黑星”取而代之。 
黑洞成为大众文化的一部分已有数十年了，在电影《星际迷航》中，它还扮演了主要的角色。这一点儿也不奇怪，这些恒星塌缩后的阴暗残骸，似乎专门用来引发我们最原始的恐惧：黑洞会将某些秘密隐藏在其帘幕之后(c包就是它的“事件视界”)，任何人或物只要坠落其中，就注定无从逃脱，所有被它吸入的东西，必然被彻底摧毁。 
对理论物理学家来说，黑洞是爱因斯坦场方程式的一个解，而该方程式是广义相对论的核心。在广义相对论中，时空就像是由弹性材质所建构的，而物质与能量可将其扭曲，所造成的时空曲率又控制了物质与能量的运动，产生了我们所认知的重力。 
这些方程式清楚地预测，在时空中有些区域里的讯号无法传到遥远的观测者所在，这些区域就是黑洞。在黑洞内的“奇异点”，物质密度趋近于无限大，环绕其四周的空旷地带具有极强大的重力，没有任何东西(包括光)能够逃离。物理学家以事件视界将此重力强大的地带与其他区域分隔开来。在最简单的情况下，事件视界是个球体，若黑洞的质量与太阳相当，此球的直径只有6千米。 谈过了科幻与理论，那么实际的状况又是如何呢?各式各样精密的天文观测结果都指出，宇宙中确实存在一些超致密物体，它们完全不散发任何光芒或辐射。这些幽暗天体的质量在数个到数百万个太阳质量之间，而依据最优秀的天文物理学家估算，它们的直径范围则在区区数百千米到数百万千米之间，符合广义相对论对此质量范围内黑洞的预测。 但这些被观测到的、既幽暗又致密的物体，真的就是广义相对论预言的黑洞吗?虽然目前的观测与理论相当吻合，但理论本身对黑洞的描述却不太令人满意。尤其是，广义相对论预测在每个黑洞里都有颗“奇异点”，显示广义相对论在这里失效。广义相对论会失效，大概是因为它并未计人物质与能量在微观尺度上才会显现的量子效应。合并了量子力学的修正理论，一般称为量子重力论，将可带动理论物理领域的许多新研究。 
对量子重力论的需求，引发了一些迷人的问题：被量子重力论修正过的黑洞会是什么样子的呢?它们会和古典黑洞大相径庭吗?或者古典叙述依然是可行的?研究显示，某些量子效应是可以完全避免形成黑洞的，取而代之的是被我们命名为“黑星”的天体，它的密度不会跳升到无限大，也不会被事件视界包覆。黑星是由空间本身支撑起来的，这种“建材”意外的坚固。 
我们运用一种称为“半古典重力论”的古老方法得出这项结论，但我们并没有使用关于塌缩物质的所有假设，这样或许能够避免在那些研究中得出矛盾的结果。在量子重力论尚未完备的情况下，过去的30多年里，理论物理学家在分析量子力学如何改变黑洞时，都诉诸半古典重力论。半古典重力论将量子物理的观点，特别是量子场论部分纳入了古典的爱因斯坦重力理论中。 量子场论以充满空间的场来描述电子、光子、夸克等任何你想得到的基本粒子，这方式非常类似电磁场。量子场论的方程式通常是建立在平坦空间里的，也就是没有重力的空间，半古典重力论则使用在弯曲空间里构建出来的量子场论。 
广义来说，半古典重力论所使用的策略如下：根据古典的广义相对论，当一群物质聚积成某一状态时，将产生某种特定的弯曲时空，但时空的曲率又会修改量子场的能量，受影响的能量再进一步改变时空曲率，如此不断循环。 这个做法的目标是要获得自我一致的解——一个弯曲时空，它的曲率产生于它所包含的量子场的能量。虽然重力本身还无法以量子理论来描述，但这种自治的解，在涉及量子效应与重力的许多情况下，应该可以相当近似地预测真实情形。半古典重力论以一种极“轻微”的方式，把量子修正加入到广义相对论里。因此，半古典重力论虽然仍以古典方法处理重力(也就是时空曲率)，但已考虑到物质的量子行为。 但是，这个方法立即遭遇到一个尴尬的问题：如果直接以它计算量子场的最低可能能量，也就是没有任何粒子出现时的能量(称为“零点能量”或“真空能量”)，会产生无限大的结果。事实上，这个问题老早就出现在一般的量子场论里(也就是在乎坦空间、没有重力的状况)。幸运的是，理论物理学家在预测不牵涉重力的粒子物理现象时，粒子的行为只取决于状态间的能量差，因此量子真空能量的值并没有任何影响；我们可以使用称为“重整化”的一种谨慎的减法技巧，以极高的精确度来计算能量差。 然而，当必须考虑重力时，真空能量就变得重要了。无限大的能量密度会产生极大的时空曲率。 黑洞释放信息 在爱尔兰都柏林举行的“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上。英国传奇科学家斯蒂芬·霍金教授宣布了他对宇宙黑洞的最新研究结果：黑洞并非如他和其他大多数物理学家以前认为的那样，对其周遭的一切“完全吞食”，事实上被吸入黑洞深处的物质的某些信息实际上可能会在某个时候被释放出来。 
宇宙学家相信，太空中有许多类型的黑洞，从质量相当于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超级黑洞。不一而足。科学家过去认为，从巨大的星体到星际尘埃等。一旦掉进去，就再不能逃出，就连光也不能“幸免于难”。而霍金教授关于黑洞的最新研究有可能打破这一结论。经过长时间的研究，他发现，一些被黑洞吞没的物质随着时间的推移，慢慢地从黑洞中“流淌”出来。 霍金关于黑洞的这一新理论解决了关于黑洞信息的一个似是而非的观点，他的剑桥大学的同行都为此兴奋不已。过去，黑洞一直被认为是一种纯粹的破坏力量。而现在的最新研究表明，黑洞在星系形成过程中可能扮演了重要角色。 1976年，霍金称自己通过计算得出结论，他认为黑洞在形成过程中，其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是著名的“霍金辐射”理论。 
但是，理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消失了。这便是所谓的“黑洞悖论”。 
这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。如今，霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称，黑洞从来都不会完全关闭自身，它们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量，随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。 即使是空间都能蕴藏极强大的重力，这与我们实际观测到的宇宙完全不符；过去10年来的天文观测指出，零点能量对宇宙总能量密度的贡献非常微小。半古典重力论并没有尝试去解决这个问题，但不论解决的方案为何，我们通常假设在平坦时空中，零点能量对能量密度的贡献一定会被抵消掉。这项假设与半古典真空一致：在每个地方的能量密度都是零，广义相对论因而预测出平坦的时空。 如果有某些物质出现，时空弯曲了，那必然改变量子场的零点能量密度，零点能量因而不再被精准抵消。较之于电荷会将介质极化的效应，我们说这多出来的能量是来自真空极化。 我们已利用质量与能量密度来描述半古典重力论的这些特性，但在广义相对论中，能够产生空间曲率的，并不只有这些东西，凡是重力物质所产生的动量密度、压力和应力，都会影响空间的曲率。在物理的研究上，有一项称为“应力能量张量” (rsET)的研究，可用来描述所有这些产生曲率的量。半古典重力论假设在平坦时空里，量子场的零点对rsET的贡献刚好被完全抵消，在sET上应用这种相减法得到的结果，就称为“重整的应力能量张量” (RSET)。 在弯曲空间里运算时，这套减法程序成功消掉了sET发散的部分，但留下了一个有限而不为零的RsET值。最终的结果是以下的循环：通过爱因斯坦方程式，古典物质将时空弄弯的程度，取决于该物质的古典sET：这个曲率使量子真空获得一个有限但不为零的RSET；这个真空的RsET成为额外的重力源，修改了曲率；新的曲率再进一步产生一个不同的RsET，如此循环不绝。 |
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