霍金修正三十年前理论：黑洞能吞亦能吐

http://www.sina.com.cn 2004年08月05日 09:54 外滩画报

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　　方军／文

　　芝加哥大学的肖恩·卡洛尔用形象的语言向我们描述：想象你把一本百科全书抛进太阳，一定会烧得丝毫不剩；但是从原则上讲，如果科学家知道关于太阳和百科全书的所有可能知道的一切，他们可以通过搜集外射的阳光，最终重组百科全书的信息。

　　然而，如果一本书、一台冰箱或电视被丢进30年前霍金理论中的黑洞，这个黑洞的辐射中将不会透露任何有关被丢进去的东西的信息。如今霍金的修正，正是推翻了这一关键论点。

　　科幻小说与侦探小说的双料爱好者必定会欣赏一种从这个世界消失得最彻底的方法：“坠”入黑洞。也许“坠”字用得并不恰当，但当某人不幸到足以接近黑洞边界，无比强大的引力场一定会将他吞噬，不留丝毫痕迹。

　　那么，进入黑洞以后会发生什么呢？一些充满奇思妙想的看法认为，黑洞是离开我们所处的宇宙，进入另外一个平行宇宙的通道。类似的异想还有：黑洞是逆转时间的枢纽，是进入时间隧道的必由之路。

　　且让我们听听对此问题最有发言权的史蒂芬·霍金的话吧。7月21日，霍金提出了新的黑洞理论，推翻了29年前他自己提出的“霍金辐射”理论：“就像我认为的那样，宇宙不存在其他平行的分支，所有的信息都牢牢地记录在宇宙中。如果你跳进一个黑洞，你的质量能量最终被返回到宇宙，不过是以极为紊乱的形式。这些信息中将包括你长什么样之类的信息，但是对人类来说却是不可识别的。”

　　自我修正

　　在都柏林举行的第17届国际广义相对论和万有引力大会上，霍金这番话引起听众会心的笑声。而他演讲的主要内容则让物理学家们微微有些吃惊和兴奋，因为他推翻了自己29年前提出的黑洞理论。

　　最初人们认为，由于黑洞质量巨大，进入其边界，也即所谓“活动水平线”的物质(甚至光线)都会被其吞噬，永远无法逃逸。1975年，霍金以数学计算的方法证明黑洞并非完全的“黑”，而是不断“蒸发”，即向外辐射极其微量的能量，并且所有的黑洞最终都将因为质量丧失殆尽而消失。这种辐射被命名为“霍金辐射”。

　　但是霍金的黑洞理论存在一个缺陷。他认为黑洞辐射不包含以前吸入物质的相关信息，一旦黑洞消失，曾经存在的黑洞的相关信息都不可追寻。而根据量子理论对亚原子世界的描述，这种信息不可能就这样消弭于无形，这一难解的矛盾被称为“黑洞悖论”。当时霍金辩称：黑洞的引力场过于强大，量子力学的定律并不适用。不过这一解释并不能令学术界信服。

　　如今的霍金改变了看法。他在大会发言中指出：黑洞内部的信息并不会丢失。他的同事吉本斯透露，此前霍金在剑桥的一个讨论会上曾大致介绍其研究工作，与传统黑洞理论不同的是，在霍金的新理论中，不再存在分隔黑洞内外事件的视界event　horizon　，而黑洞最终会释放出信息，尽管是以一种“被撕碎”的无法辨识的方式。

　　以往关于黑洞的最大难解之处是：物质如何能真的“消失”在黑洞里，而不留下一丝痕迹？平行宇宙的想法正是为应付这一困境。如果霍金的新理论成立，那么被黑洞吞噬的一切，最终将被慢慢地释放回我们的宇宙。

　　愿赌服输

　　对自己理论的修正伴随着一场赌局的认输。1997年，霍金及加州理工学院索恩教授Kip　Thorne　同加州理工学院的普瑞斯基尔John　Preskill　教授立下了一个打赌的字据。霍金认为黑洞永远不会释放其内部隐藏的信息，索恩是他的支持者及赌局合伙人，而普瑞斯基尔则持相反观点。

　　赌注是一本棒球百科全书，其寓意是从百科全书中可以获取“信息”。霍金说：“在英国，很难找到这本书，所以，我只能用板球百科全书代替了。”赢家普雷斯基尔很高兴，但对霍金21日演讲的内容还不完全理解，他急切地盼望霍金公布论文，以便进一步研究。

　　霍金是科学赌局的热衷者，虽然屡赌屡败，却有着“无怨无悔、愿赌服输”的标准赌徒精神。80年代霍金与索恩曾为天鹅座X-1打赌，这是一个由两颗恒星组成的双星系统，观测表明一颗绕另一颗旋转，这后一颗人们猜测就是黑洞。

　　霍金认为它不是黑洞，而索恩则持相反看法。越来越多的观测数据让赌局日趋明朗。根据索恩的记录，1990年6月的一个深夜，霍金及其助手闯入他在加州理工的办公室，找到打赌凭证，写下认输的便条，并加盖了霍金的拇指印。索恩获得了1年的男性杂志《阁楼》，据说由此引来了索恩夫人的不满。

　　在1991年关于裸奇点naked　singularities　是否存在的赌局中，索恩和普瑞斯基尔为正方，而霍金继续充任反方。奇点是时空中时空曲率变成无穷大的点，通常只应存在于黑洞内部；裸奇点则是不被黑洞围绕的时空奇点。1997年，霍金承认裸奇点在特殊情况下是可以形成的，然后输给了索恩和普瑞斯基尔两件可以用来“遮蔽裸体”的T恤衫，上面写着“自然界憎恨裸奇点”。

　　殊途同归

　　较少为人所知的是，“黑洞”的父亲也即原子弹之父：奥本海默。1939年，奥本海默及其弟子斯奈德(Hartland Snyder)发表文章指出：一颗恒星在内部核反应终止后，可能会因为引力的作用，坍缩演化为一个质量惊人、致密无比的物体，甚至光也无法摆脱其引力束缚。

　　这个观点受到当时物理学界的集体批驳，著名物理学家朗道(Lev Landau)甚至建议修改量子力学，以避免黑洞的出现。此后，奥本海默因为研制原子弹，中断了黑洞研究。直到1960年代，科学家们才开始重新认真思考这种极端物体。曾经坚决反对的著名物理学家惠勒(氢弹的主要设计者之一)戏剧性地改变立场，成为这一领域最重要的理论家，并于1969年命名“黑洞”。

　　根据黑洞的特征，黑洞是无法直接观测到的，人们只能通过间接观测证据来证实其存在，如研究发出的辐射和对相邻恒星的引力作用。2004年2月18日，欧美天文学家首次找到黑洞会“吃”恒星的证据，这颗恒星在超大质量黑洞的引力作用下伸展，直至被扯得四分五裂；6月29日，美国斯坦福大学的天文小组在距地球约127亿光年的大熊座星系中央发现了迄今为止最庞大最古老的黑洞，其质量是太阳质量的100多亿倍……这些观测结果丰富了人们对黑洞的研究。

　　在霍金的路径之外，还有不少科学家试图揭开黑洞的秘密。今年3月，美国俄亥俄州立大学马图尔Samir　Mathur　等人发表论文，运用弦理论(根据弦理论，宇宙万物并非由点状粒子组成，而是由细小的、可振动的一维弦所组成)构建了一个黑洞模型，其霍金辐射包含了黑洞的内部信息。这一研究成果尽管只是针对一个特殊黑洞，而非天体物理学中最普遍黑洞，但弦理论在黑洞研究中已经显示出越来越重要的地位。

　　“霍金如今确证了弦理论物理学家在过去十年内一直说个不停的理论。”

哈佛大学的安德鲁·斯佐明格这样说道。