在今天的物理學(xué)界，黑洞理論似乎已經(jīng)成為被廣泛接受的主流。但著(zhù)名理論物理學(xué)家、“黑洞理論大師”、英國劍橋大學(xué)應用數學(xué)與理論物理學(xué)系終身教授斯蒂芬·霍金日前卻修正了自己的黑洞理論。

    美國宇航局錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺觀(guān)測到在銀河系的中心有一個(gè)巨大的黑洞，取名人馬座A。在過(guò)去的幾年里，通過(guò)間歇性觀(guān)測，錢(qián)德拉曾經(jīng)發(fā)現來(lái)自人馬座A的X射線(xiàn)光斑。一項新的研究表明，錢(qián)德拉X射線(xiàn)捕獲到的光斑可能是掉入銀河系巨大黑洞的小行星。如果上面的設想得到證實(shí)的話(huà)，將意味著(zhù)黑洞周?chē)嬖谥?zhù)百萬(wàn)億的小行星和彗星。

黑洞，無(wú)法看到的神秘天體

    在現代廣義相對論中，黑洞是宇宙空間內存在的一種密度無(wú)限大、時(shí)空曲率無(wú)限高、體積無(wú)限小的奇異天體。它是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生自身引力坍縮而產(chǎn)生的。由于它類(lèi)似熱力學(xué)上完全不反射光線(xiàn)的黑體，被著(zhù)名的美國理論物理學(xué)家約翰·惠勒稱(chēng)之為“黑洞”，并沿用至今。

    與別的天體相比，黑洞十分特殊。它的質(zhì)量極其巨大，而體積卻十分微小。它可以產(chǎn)生的巨大的引力，任何物質(zhì)一旦進(jìn)入到它的引力臨界點(diǎn)（即黑洞的邊界，也叫黑洞視界），便再無(wú)法逃脫，就連傳播速度最快的光也逃逸不出。因此，人們無(wú)法直接觀(guān)察到黑洞，科學(xué)家也只能對其內部結構提出各種理論猜想。

    科學(xué)家們認為，黑洞把自己隱藏起來(lái)的“武器”是時(shí)空彎曲。根據廣義相對論，時(shí)空會(huì )在引力場(chǎng)作用下發(fā)生彎曲。這時(shí)候，光雖然仍然沿著(zhù)任意兩點(diǎn)間的最短光程傳播，但相對而言，它已經(jīng)彎曲。在經(jīng)過(guò)大密度的天體時(shí)，時(shí)空會(huì )彎曲，光也就偏離了原來(lái)的方向。由于黑洞的存在，被它擋著(zhù)的恒星發(fā)出的光，有一部分會(huì )落入黑洞中而消失，但另一部分光線(xiàn)則會(huì )通過(guò)彎曲的時(shí)空，繞過(guò)黑洞而到達地球——也就是說(shuō)，我們只能觀(guān)察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的“隱身術(shù)”。

    更有趣的是，有些恒星不僅是朝著(zhù)地球發(fā)出的光能直接到達地球，它朝其他方向發(fā)射的光也可能被附近黑洞的強引力場(chǎng)彎曲而能到達地球。這樣，我們就不僅能看見(jiàn)這顆恒星的“臉”，還同時(shí)看到它的“側面”，甚至“后背”，這就是宇宙中的“引力透鏡效應”。

量子力學(xué)讓黑洞的存在變得“可疑”

    霍金是現代黑洞理論的創(chuàng )立者之一，也是現代最著(zhù)名的理論物理學(xué)家。1974年，他考查了黑洞附近的量子效應，發(fā)現黑洞會(huì )像天體一樣發(fā)出輻射，該輻射被命名為“霍金輻射”?！盎艚疠椛洹钡臏囟群妥约旱馁|(zhì)量成反比——這樣，黑洞就會(huì )因為輻射而慢慢變小，而溫度卻越變越高，最后以爆炸告終。

    1976年，霍金提出了著(zhù)名的“黑洞信息悖論”，即黑洞輻射中并不包括黑洞內部物質(zhì)的任何信息，一旦這個(gè)黑洞濃縮并蒸發(fā)消失后，黑洞內部的信息也就不知去向。在《時(shí)間簡(jiǎn)史——從大爆炸到黑洞》、《黑洞、嬰兒宇宙及其他》和《果殼中的宇宙》中，霍金都曾詳細論述了黑洞。

    然而量子物理學(xué)的發(fā)展，讓黑洞的存在變得“可疑”?，F代量子物理學(xué)認定物質(zhì)信息是永遠不會(huì )完全消失的，這就與霍金提出的黑洞理論存在相悖之處。

    其實(shí)，霍金也一直在思考黑洞是否存在。他在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中曾寫(xiě)到，他曾擔心黑洞可能只是理論上的概念，而現實(shí)中根本不存在。為了解決這個(gè)問(wèn)題，霍金曾試圖以各種推測來(lái)解釋其這一自相矛盾的觀(guān)點(diǎn)。他曾表示，黑洞中的量子運動(dòng)是一種特殊情況；由于黑洞中的引力非常強烈，量子力學(xué)在此時(shí)已經(jīng)不再適用了。但這種說(shuō)法并沒(méi)有讓科學(xué)界眾多持懷疑態(tài)度學(xué)者信服。

    2004年，霍金推翻了自己的論述：在他提交于“第17屆國際廣義相對論和萬(wàn)有引力大會(huì )”的論文中，他坦誠“黑洞信息悖論”是錯誤的，黑洞同樣遵守宇宙普遍規律，是信息守恒的。此外，霍金還證明了黑洞的面積定理，即隨著(zhù)時(shí)間的增加，黑洞的面積不減。

    在今年1月22日，72歲的霍金再次震驚了國際物理學(xué)界。他在當天提交給美國康奈爾大學(xué)的一篇論文中，提出了一個(gè)新的關(guān)于黑洞視界的解釋?zhuān)L試解決“黑洞信息悖論”。這篇尚未通過(guò)同行評議的論文有個(gè)生澀的題目：《黑洞的信息保存與氣象預報》（Information Preservation and Weather Forecasting For Black Holes）。在這篇論文中，霍金指出由于找不到黑洞的確切視界，因此經(jīng)典理論上的黑洞是不存在的。

    霍金說(shuō)，物質(zhì)和能量在被黑洞困住一段時(shí)間后，又會(huì )被重新釋放到宇宙中。他在論文中承認自己最初有關(guān)黑洞視界的認識是有缺陷的——光線(xiàn)其實(shí)是可以穿越視界的。當光線(xiàn)逃離黑洞的核心“奇點(diǎn)”時(shí)，它的運動(dòng)就像人在跑步機上奔跑一樣，慢慢地通過(guò)向外輻射而收縮。這與量子力學(xué)理論表明能量和信息是可以從黑洞中逃離出來(lái)的有了共通之處。

    在這篇最新論文中，霍金既沒(méi)有放棄相對論，也沒(méi)有放棄量子力學(xué)。他提出，黑洞附近的量子效應使得時(shí)空漲落極其猛烈，因此不可能存在一條絕對清晰的分界線(xiàn)，也就不存在一落進(jìn)去就再也逃不出來(lái)的所謂“事件視界”。取而代之的是，霍金提出了一個(gè)被稱(chēng)為“表面視界”的全新概念。在這個(gè)視界的表面，企圖逃離黑洞核心奇點(diǎn)的光線(xiàn)，將被懸浮。信息只是暫時(shí)被囚禁在其中，終有一天，隨著(zhù)“表面視界”的消失，被囚禁的信息會(huì )以另一種幾乎無(wú)法辨認的方式被釋放出來(lái)。假如霍金的這一最新理論未來(lái)被證明是正確的，那么原則上來(lái)說(shuō)，一切物質(zhì)最終都可以逃離黑洞，于是嚴格的傳統意義上的黑洞也就不復存在了。不過(guò)，霍金在論文中并沒(méi)有具體說(shuō)明“表面視界”會(huì )怎樣消失。

霍金的黑洞賭局

    從支持到否定，這并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程?；蛟S我們可以從霍金輸掉的那三場(chǎng)著(zhù)名的學(xué)術(shù)賭局中，看到霍金轉變的端倪。

    第一場(chǎng)賭局，他堅信黑洞是存在的。1975年，他與美國理論物理學(xué)家、加州理工學(xué)院教授基普·索恩開(kāi)賭：黑洞是否存在。兩個(gè)人賭的是當時(shí)一個(gè)最有可能疑似為黑洞的天體——天鵝座X-1?；艚鹪凇稌r(shí)間簡(jiǎn)史》說(shuō)：“當我們1975年打賭時(shí)，我們80%肯定天鵝座X-1是黑洞，現在我會(huì )說(shuō)有95%肯定，但這場(chǎng)賭局仍未有結果?！钡痪靡院蟆?990年，霍金就很“傷心”地認輸了。

    第二場(chǎng)賭局，霍金和索恩站在了同一陣線(xiàn)。1991年，霍金和索恩與美國理論物理學(xué)家、加州理工學(xué)院教授約翰·普雷斯基對賭。當時(shí)的命題是，“裸奇點(diǎn)”是否存在?！捌纥c(diǎn)”，又稱(chēng)“奇異點(diǎn)”，即時(shí)空具有無(wú)限曲率的一點(diǎn)，時(shí)空在該處開(kāi)始、在該處完結。理論上說(shuō)，奇點(diǎn)應該被黑洞圍繞，但是否存在沒(méi)被黑洞包圍的“裸奇點(diǎn)”呢？霍金與索恩認為裸奇點(diǎn)并不存在，而普雷斯基卻認為是存在的。雙方約定，誰(shuí)輸了就要向對方送上一件寫(xiě)著(zhù)服輸字眼的T恤衫。

    這場(chǎng)賭局，霍金也輸了。后來(lái)的研究證明黑洞經(jīng)過(guò)“霍金蒸發(fā)”之后可能保留一個(gè)裸奇點(diǎn)——1997年美國德克薩斯大學(xué)的科學(xué)家利用超級計算機證明了黑洞坍塌的時(shí)候，在非常特別的條件下，存在裸奇點(diǎn)。這位大學(xué)理學(xué)家可愛(ài)的在文字上耍賴(lài)，他說(shuō)，裸奇點(diǎn)是由于量子過(guò)程產(chǎn)生的，而不是賭約上描述的、由于廣義相對論形成的。但是，霍金修正了他的理論，指出裸奇點(diǎn)有可能存在。

    輸了賭局的霍金立即要求與普雷斯基再賭一場(chǎng)。他和索恩指出，任何物質(zhì)掉進(jìn)黑洞后都將消失，黑洞中產(chǎn)生的輻射是全新制造的，與掉進(jìn)黑洞中的物質(zhì)無(wú)關(guān)。然而這一項命題違反了量子力學(xué)——也就是說(shuō)，若命題正確，量子力學(xué)或要重寫(xiě)。這一場(chǎng)，霍金又輸了。2004年，霍金在出席學(xué)術(shù)研討會(huì )時(shí)認輸，向對方賠上《完全棒球——終極棒球百科全書(shū)》。

    黑洞或許并不存在——這可能是霍金最新的賭局。

    對于這個(gè)理論，一些科學(xué)家表示認可，也有人持懷疑態(tài)度。加拿大阿爾伯塔大學(xué)的理論物理學(xué)家、黑洞專(zhuān)家唐·佩吉教授認為霍金的解釋很合乎情理。但加州大學(xué)圣塔巴巴拉分?？ǚ蛄⒗碚撐锢硌芯克睦碚撐锢韺W(xué)家約瑟夫·波爾欽斯基教授則指出，根據愛(ài)因斯坦的重力理論，黑洞的邊界是存在的，只是它與宇宙其他部分的區別并不明顯。而霍金的前學(xué)生、加州大學(xué)伯克利分校的理論物理學(xué)家、物理學(xué)系教授拉爾夫·伯索也對此有所保留。

    這一研究需要相當長(cháng)的時(shí)間?；艚鹫f(shuō)，對于這種逃離過(guò)程的解釋?zhuān)枰粋€(gè)能夠將重力和其他基本力成功融合的理論。在過(guò)去近一百年間，還沒(méi)有人能夠提出這一理論?；蛟S正如霍金對著(zhù)名英國學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志所說(shuō)，問(wèn)題的正確解釋仍然是一個(gè)謎。