這是一個(gè)還沒(méi)有答案，也許永遠都沒(méi)有確定答案的問(wèn)題。
1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了偉大的廣義相對論理論。由于廣義相對論的場(chǎng)方程是二階非線(xiàn)性偏微分方程，愛(ài)因斯坦本人覺(jué)得應該不會(huì )有精確的解析解，而只能有近似解或者數值解。但是令?lèi)?ài)因斯坦非常驚訝的是，僅僅幾個(gè)月之后，正在前線(xiàn)打仗的奧地利數學(xué)家史瓦西竟然得到了一個(gè)解析解，這就是點(diǎn)質(zhì)量、無(wú)自轉和不帶電的引力場(chǎng)的解，今天被稱(chēng)為史瓦西解。
這個(gè)解的一個(gè)性質(zhì)是存在一個(gè)視界，在視界處紅移無(wú)窮大而且時(shí)間停滯。由于任何東西，包括光線(xiàn)，都是只能進(jìn)去而不能出來(lái)，所以這個(gè)解也被稱(chēng)為黑洞解，它的另外一個(gè)性質(zhì)就是其中心是一個(gè)奇點(diǎn)，也就是所有的物理量都發(fā)散。所以根據這個(gè)解，黑洞里面就是除了中心的奇點(diǎn)之外，其他地方什么都沒(méi)有。
但是愛(ài)因斯坦不相信自然界存在物理量發(fā)散的物體，因此堅信這個(gè)解在自然界不存在，一定有當時(shí)未知的物理規律阻止奇點(diǎn)的形成，所以宇宙中不會(huì )有黑洞存在。當然今天我們知道宇宙中有很多黑洞，我本人就發(fā)現過(guò)黑洞，而且今年6月15號發(fā)射的慧眼天文衛星（我擔任該衛星的首席科學(xué)家）的任務(wù)之一就是尋找更多的黑洞。
我們知道，愛(ài)因斯坦是因為發(fā)現光電效應而獲得諾貝爾物理學(xué)獎的，而這是量子力學(xué)的奠基性成就。根據廣義相對論，黑洞中心的奇點(diǎn)處的體積必須是無(wú)窮?。ǘ@就是物理量發(fā)散的原因），但是量子力學(xué)的不確定性原理不允許出現無(wú)窮小的體積，因此在那個(gè)地方應該是引力效應和量子效應同時(shí)都非常強烈的區域，也就是量子引力效應起作用，但是我們目前還沒(méi)有能夠自洽地描述量子引力的物理學(xué)理論，因此我們并不知道那里到底在發(fā)生什么。電影《星際穿越》的科學(xué)主題就是派宇航員到黑洞中心獲得“量子引力”的數據，用來(lái)檢驗電影中的布蘭教授的引力理論。
還有一類(lèi)模型認為不僅僅是黑洞中心的情況需要用到量子效應，就是在物質(zhì)進(jìn)入黑洞的過(guò)程中也需要考慮量子糾纏效應。在這種情況下，黑洞視界內部靠近黑洞視界的區域就必須有高能粒子的存在，被稱(chēng)為黑洞的“火墻”。但是火墻是否存在并沒(méi)有定論。
上面這些情況都對應一種參考系，也就是在黑洞的引力場(chǎng)中做自由落體進(jìn)入黑洞觀(guān)測者的參考系，用的時(shí)鐘是他自己攜帶的時(shí)鐘。但是我們知道，根據廣義相對論，不同引力場(chǎng)中的時(shí)鐘走的快慢是不同的，即使他們一開(kāi)始把時(shí)鐘對準，他們離開(kāi)之后時(shí)鐘就不可能繼續同步了。所以，如果用黑洞外部觀(guān)測者的時(shí)鐘計時(shí)，那么得到的結論很可能會(huì )很不同。情況其實(shí)也正是這樣。
根據廣義相對論的所有教科書(shū)中給出的經(jīng)典例子，如果使用外部觀(guān)測者的時(shí)鐘，那么即使經(jīng)過(guò)無(wú)窮長(cháng)的時(shí)間，物質(zhì)也不可能進(jìn)入黑洞，因此對于（還）沒(méi)有進(jìn)入黑洞的我們來(lái)講，黑洞里面實(shí)際上什么都沒(méi)有！所有落向黑洞的物質(zhì)都被“凍結”在黑洞的視界外面了！因此可以說(shuō)，宇宙中根本就沒(méi)有黑洞！
但是我和我當時(shí)的學(xué)生劉元深深地懷疑廣義相對論的這個(gè)“經(jīng)典”結果，因此于2009年發(fā)表了一篇文章，推翻了上述結論。
我們的計算仍然是基于廣義相對論做的，但是和以往的所有計算都不同，我們考慮了落向黑洞的物質(zhì)的質(zhì)量對黑洞的度規的影響，做了完全自洽的動(dòng)態(tài)度規的計算。我們的計算發(fā)現，即使對于外部觀(guān)測者，物質(zhì)可以順利進(jìn)入黑洞，所以宇宙中可以很自然地形成黑洞！但是我們計算的另外一個(gè)結果則更加令人吃驚：
進(jìn)入黑洞的物質(zhì)在外部觀(guān)測者有限的時(shí)間內不會(huì )到達中心，因此物質(zhì)在黑洞內部處于分布狀態(tài)，物質(zhì)的分布情況完全取決于物質(zhì)落入黑洞的歷史，但是中心處空空如也，也就是黑洞中心沒(méi)有奇點(diǎn)！
因此，愛(ài)因斯坦沒(méi)有全錯：宇宙中的確沒(méi)有奇點(diǎn)，但是有黑洞！
下圖是上面所說(shuō)的我們那篇論文的摘要截屏，供想了解進(jìn)一步細節的朋友參考。這篇論文的鏈接為：http://adsabs.harvard.edu/abs/2009PhLB..679...88L
聯(lián)系客服
