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黑洞里面是什么 石无鱼/文 黑洞是充满神秘感的天体。“知人知面不知心”，我们虽然对黑洞的外部表现已经十分了解，但对黑洞的“内心”却知之甚少。 比方说我们知道黑洞这个怪物具有强大的引力，即使运动速度最快的物体——光——从它身边经过，也会像饿人抽面条一样被吸进去。但是那么多东西吸进去之后，它们的命运又如何？科学家们对此却没有统一答案。有的人说它们最后挤成了一个没有体积、密度无穷大的几何点（即奇点）；也有人说它们穿越时空，在另一个地方喷了出来；还有人说，这些物质在没被挤成一个点之前，就发生了一场类似宇宙大爆炸式的爆炸，形成了一个新的宇宙，而我们说不定就生活在这样一个宇宙之中……等等。 黑洞的“内心”真是太难测了！在天文学家的努力“偷窥”下，对于黑洞内部的情况，如今已经略知一二了。下面，就让我们看看黑洞的内部世界可能是什么面貌。  在谈论黑洞内部的事情之前，首先让我们来看看黑洞可能会有什么样的形状。 我们知道，黑洞之所以为黑洞，就在于其表面附近极强的引力。当光从它身边经过时，都“肉包子打狗——有去无回”，任凭我们使尽手段也无法得到一点反馈的信号，于是我们自然就说它是一个“黑”洞了。 但是，我们说黑洞具有强大的引力只是指它表面附近而言的。引力与距离的平方成反比，距离增大到原先的10倍，引力将减小到原先的100倍；我们知道银河系中存在着很多黑洞，但它们对地球的影响微乎其微，就因地球距离它们太遥远之故。 在离黑洞中心一定距离处，引力刚好强大到足以把光线都能吸进去，我们就称这个距离为“事件视界”，简称“视界”。在视界之外，光还是可以逃脱黑洞魔掌的，逃出来的光可以被我们观测到；但对于视界以内发生的事情，因为没有任何信号可以逃得出这个界限，我们就两眼抹黑，什么也不知道了；哪怕有位科学家掉进黑洞并幸存了下来，把他的所见写成一篇论文，他也没法拿到黑洞外面的我们这个世界来发表。 我们所说的黑洞内外之分，就是对于这个视界而言的。视界把黑洞分成了内外，黑洞的形状也就是它的视界的形状。 还需要说明的一点是，黑洞强大的引力其实不在于它的质量，而在于它的体积。我们知道，引力和距离的平方成反比，天体的质量越集中，半径越小，表面的引力也就越大。比方说，要想让地球变成一个黑洞，须把它压缩到半径4毫米以下即可。事实上，任何质量的一团物质，只要压缩到体积足够小，都可以变成黑洞。 一团球形的物质，被压缩到足够小时，就变成了球形的黑洞，这是不难理解的。但一团立方体的物质，保持形状不变，压缩到足够小，是否会变成立方体的黑洞呢？ 科学家经过计算发现，这种黑洞并不存在。当这块立方体被压缩到一定程度，它会向外发射强烈的引力波，把自己的边边角角修去，以便越来越接近球形（引力波所携带的能量是从这些边边角角上的物质转化而来的）；当它变成黑洞时，已经是一个标准的球形了。 这就告诉我们，一团物质一旦变成黑洞，它就把有关自己前身的信息都抹去了，我们无从知道它是从阿猫还是阿狗变来的。此外，黑洞自身也是一个“信息粉碎机”，比方说，我们朝黑洞里扔进一只老母鸡，它一旦钻进黑洞的视界，我们就两眼抹黑，再也无法追踪观察它最后的命运了。假如有人硬说，你扔进去的是一只鸭，除非你手上碰巧留着一根鸡毛，否则也驳不倒他。没有信号能越出黑洞的视界，这反过来也就是说，不论黑洞内部发生什么，都不可能以任何方式影响外面我们身处的宇宙中来，而这一点也是广义相对论所要求的。 读到这里，你可能要纳闷了：既然这样，那怎么知道黑洞里有什么呢？谈论这种话题，我们岂不有点像谈鬼那样不着边际吗？的确，在此天文观测已经毫无帮助，不过人类的聪明之处就在于他掌握着物理定律，可以在理论上解答实验上无法回答的问题。  对于物理学家来说，迄今研究黑洞最强有力的工具就是爱因斯坦的广义相对论。广义相对论告诉我们，物质跟时空是分不开的，引力的本质是时空的弯曲等等，这是我们需要知道的一点准备知识。 “黑洞里有什么？”最先来回答这个问题的是美国物理学家奥本海默。1939年，他利用广义相对论对球状恒星在自身引力作用下的坍缩做了一项计算，发现球状恒星变成一团足以把光囚禁住的天体后，并不会到此罢休，而是会继续无情地坍缩下去，直至在中心形成一个没有体积、密度无穷大的奇点。假如一个宇航员脚朝奇点落下去，他的身体会渐渐拉得像堂吉诃德那样又瘦又高，最后落入奇点时，他在头脚方向已经被拉得无限长，而横向则被压得没影了（假设他有无限的弹性）。最难以理解的是，宇航员虽然身高无穷大，却又出不了黑洞视界——因为假如他变成一根棒子探出黑洞的视界，那就要对我们这个世界产生影响了，比方说把人吓成神经病等等，这可是广义相对论所不允许的——而我们知道，一个黑洞不管有多大，它的视界总还是有限的，怎容得下无限长棒呢。 在理论上，物理学家最头疼的就是遇到无穷大，无穷大像一只跳蚤，咬着他们的神经，一旦出现，他们就要把整个理论里里外外翻检一遍，看看什么地方错了。现在，在奥本海默的计算中，不仅出现一个密度无穷大的奇点，这个奇点甚至还有更古怪的性质：任何掉进它的物体在纵向都会被拉成无穷长，而这个无穷长又不能超出黑洞有限尺寸的视界！这个结论够荒谬了吧？不用说，所有人都认为他的计算肯定在什么地方出了问题。 问题出在哪儿呢？苏联物理学家栗弗席兹认为，毛病可能出在奥本海默在计算中引入了太多理想化的假设：比如要求这团恒星物质必须是完全球状的，密度必须绝对均匀，没有旋转，里面的气体没有一丝扰动……等等，这些条件其实没有一项在现实中能够满足。栗弗席兹经过复杂的计算后证明，奥本海默的奇点是不稳定的，只要上述条件中有一项不满足（比方说你朝这团气体吹口气，让它产生小小的扰动），奇点就不能形成，所以奥本海默的黑洞奇点只存在于想像中，不可能在真实的宇宙中存在。 事情到这一步似乎让人可以松口气了，但正所谓“你要是把魔鬼赶出门外，它就会从烟囱里钻进来”。据回忆，那是1964年晚秋的一天，英国数学家彭罗斯在过马路的时候，突然产生一个很美妙的思想，他顿时手舞足蹈起来。在此后的几个星期，他把这个思想写成了严格的数学证明。这个“美妙的思想”对物理学家可不“美妙”，它像一纸判决，严正地宣布了黑洞的最后的命运：只要按照广义相对论，不论这个黑洞是以什么形式变来的，每一个黑洞都必然会有一个奇点。要黑洞避开奇点，是不可能的！ 彭罗斯的证明用到了数学上的一个分支——拓扑学，这门学科当时很少为物理学家所知。栗弗席兹听到彭罗斯的证明，很是吃了一惊，长久不敢相信。但随后的一些年，科学家们渐渐接受了彭罗斯的结论。栗弗席兹检查自己以前所做的计算，也发现在奥本海默的模型中引进微小的扰动之后，奥本海默式的奇点（因为奇点也有好些类，除了“没有体积、密度无穷大”这一共性外，理论家根据自己模型的需要还会赋予其他一些附加的特性）是不能形成了，却形成了另一类奇点，真所谓“前门赶走了狼，后门又引来了虎”。于是，他向彭罗斯认输了。 那么，关于奇点目前我们知道些什么呢？首先，奇点是空间中这样一个点，这个点没有长度、面积、体积，总之没有尺寸；其次，它的质量尽管是有限的，但密度却无穷大，那里的物质以什么样的形态存在，我们至今依然一无所知；最后还知道，在我们这个世界行之有效的物理规律一到奇点，就统统失效。 这个怪里怪气的奇点对于自负的物理学家来说，真是个不小的打击，他们辛辛苦苦研究出来的物理定律竟然在这么一个小小的点上载了跟头！好在奇点都裹在黑洞的视界以内，即便那里发生再稀奇古怪的事情，也影响不到我们这个世界，物理学家就算讨厌它，但也还是可以做到“眼不见，心不惊”。 写到这里，让我们先来总结一下，看看传统的黑洞理论对“黑洞里是什么？”这个问题一般是怎么回答的吧。 假如黑洞还在吸积着物质，你不妨把自己想像成一个正往黑洞里掉的宇航员，并且有着一双能洞察一切波长光波的眼睛（因为一般人的眼睛只能看到可见光波段的光波，即使黑洞周围充满着很多高能射线，他们也看不见）。物质在往黑洞里掉的时候，因为彼此摩擦，会产生上百万度的高温，温度一高又会发出强烈的辐射，所以你将看到周围一片光亮，——当然黑洞视界所在的区域还是一片漆黑的，毕竟那儿什么光都出不来。好，现在你已经越过了黑洞的视界，就像但丁进了地狱的门，门上写着“所有进来的人，把一切希望都抛在后面吧！”，因为你也休想再回去了。 假如你还活着，那么会惊讶地发现，进了视界这道“门”之后，原先在远处看起来黑咕隆咚的地方，竟然也是一片光亮。这是怎么回事？ 道理很简单，因为那些跟你一块越过视界的物质，在往奇点掉的过程中依然还在摩擦着发光。这些光虽然逃不出视界，但置身于视界里面，你就可以看得到了。这些光在“嗖嗖”地往奇点飞去。至于奇点本身，你能看到的是那里显得特别明亮，因为四面八方的光都往那个点上跑，而所有的物质也被撕得粉碎，变得透明了，不妨碍你的视线。 要是黑洞已经把周围的物质吸得一干二净，沉寂下来了呢？那当然，黑洞的里里外外，除了中心有一个奇点，就啥都没有了。但奇点没有体积，你也看不到它。这个时候，你要是成心想寻出一点物质的痕迹来，那么除了虚空，说实话还真可以说空无一物。这时的黑洞，仿佛一位入定的老僧，吃饱喝足之后念叨道：“本来无一物，何处惹尘埃？”仿佛它从来没有“惹过尘埃”，但一股把你往里拽的强大引力就让它露馅了。你恍然大悟，原来这个空无一物的地方，其实就是宇宙中最可怕的“怪兽”的栖身之地！ 我们迄今都只限于在广义相对论的框架内谈论黑洞。但当物质在黑洞里不断坍缩，越来越小，以至于接近体积为零的奇点时，我们事实上就进入了微观领域。这时候广义相对论还适不适用，我们可不知道，不过有一点是显然的，那就是不能不考虑统治微观世界的物理学规律——量子力学。 相对论和量子力学是20世纪物理学的两大基石。但很遗憾的是，它们在很多观念上是彼此矛盾的。随便举个例子，比如在相对论中，时间、空间是密不可分的，而在量子力学中，它们却依然彼此独立。好在广义相对论的应用范围一般说来是空间的大尺度结构，而量子力学主要应用于微观世界，它们井水不犯河水，倒也相安无事。但一旦涉及黑洞的奇点，——这里引力极其强，空间弯曲得很厉害，同时尺度又非常小——就不能不把两者联合起来考虑了。可我们至今还没有能把广义相对论和量子力学融合在一起的满意理论呢。 假如考虑量子力学，我们对于黑洞奇点的理解会增加哪些新的认识呢？ 首先，直接的一个结果是，奇点不可能无限小，也就是说，那种理想化的没有体积大小的奇点并不存在。这是因为根据量子力学，空间并不是无限可分的，它有一个最小的尺度，即普朗克长度，大约是10 -35 米。黑洞奇点的直径自然也不应该小于这个数值。所以，奇点的尺寸固然非常小，但还不完全是零。 其次，在那样一个微乎其微的空间里，空间也不再像广义相对论所描述的处处连续光滑的了，而是此起彼伏地冒着时空泡沫，物理学家称之为“量子泡沫”。其实，量子泡沫不仅存在于黑洞奇点，也存在于宇宙中的任何一处，譬如说此刻在你的房间，在你的大脑里。任何一块空间，只要你能把它不断放大，放大到一定程度，你总会发现原先光滑、连续的空间不见了，见到的是沸腾的量子泡沫。这跟你用肉眼看一面镜子是光滑的，但在高倍显微镜下，却发现它充满了坑坑洼洼是一个道理。这些量子泡沫什么时候，在什么地方，以什么形状冒出来，是完全无法预测的。我们只能估算它们出现的概率。 当然了，这只是我们在引入量子力学之后对奇点的初步认识，要彻底了解它的奇异性还有待于将来一个能把广义相对论和量子力学统一起来的理论。 其实，一旦考虑量子，人们对黑洞本身的认识也发生了一场飞跃。比方说，以前我们总认为黑洞是个一毛不拔的“铁公鸡”，物质在那儿只进不出。但英国物理学霍金在计算中引入量子力学后却发现，黑洞也能辐射粒子，也就是说，黑洞在蒸发！ 这样一来，黑洞在人们心目中也由原先的一毛不拔的“铁公鸡”形象，一变而为也会把自己的巨额财产稍稍打发掉一点的“吝啬鬼”形象了，这多少给它增添了一点“人情味”。 |
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