黑洞通往何處?

　　現在，你準備好要跳入一個黑洞。如果你能想辦法活下來(盡管這困難重重)，等待著你的是什么呢?如果你想方設法地要回頭，最終你會去到哪里，又會經歷怎樣動人心弦的故事呢?

　　就像理查德·馬西(Richard Massey)教授所說的那樣，所有這些問題都有一個簡單的答案：“沒人知道。” 作為杜倫大學計算宇宙學研究所皇家學會的研究員，馬西深知宇宙充滿了未解之謎。“落入黑洞邊界其實就是跨入了未知世界——一旦掉進去，沒人能夠發條訊息回來，”馬西說，“他們會被巨大的引力撕成碎片，所以我不相信有人掉進黑洞之后，還能去別的什么地方。”

　　如果這個答案聽起來令人失望，這也是意料之中的。在愛因斯坦的廣義相對論根據時空和引力的關聯預言出黑洞之后，人們知道黑洞源自大質量恒星死亡后遺留的小而致密的核心。如果這個核心的質量超過太陽的 3 倍，在巨大的引力作用下它會發生坍縮，直至所有物質匯聚到一個點(也就是奇點)，而這個奇點就是黑洞密度無限大的核心。

　　由此產生的黑洞有著巨大的引力，甚至連光都無法逃離它。德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)提出了“事件視界”(event horizon)的概念：一旦光線或物質越過事件視界，就永遠無法逃脫了。根據馬西的解釋，接近黑洞時，你的身體會因潮汐力作用被劇烈拉伸(也被稱為“意大利面化”)，最終到達奇點。至于你會出現在另外什么地方——比如黑洞另一面——的想法，看起來都只是天方夜譚。

　　如果是蟲洞呢?

　　多年來，科學家一直在探索，黑洞是否有可能成為通向其他星系的蟲洞。有人甚至猜測，蟲洞可以通向另一個宇宙。

　　這種想法的產生已經有些時日了。早在 1935 年，愛因斯坦就與內森·羅森(Nathan Rosen)合作提出相關理論，認為宇宙中可能存在連接兩個不同時空的隧道。但直到 20 世紀 80 年代，這種理論才流行起來。當時，天體物理學家基普·索恩(Kip Thorne)推動了一場討論，主題就是物體是否能穿越蟲洞。

　　馬西表示：“當我還是個孩子的時候，我讀了基普·索恩關于蟲洞的暢銷書，這本書讓我對物理產生了興趣。”不過，現在看來蟲洞似乎并不存在。

　　索恩曾是好萊塢電影《星際穿越》的科學顧問，他在自己的著作《星際穿越中的科學》一書中寫道：“我們沒能在任何天體衰老的過程觀察到蟲洞的存在。”索恩表示，穿越這些理論隧道的時空旅行很可能只存在于科幻小說中，根本沒有可靠證據能表明黑洞允許這樣的穿越。

　　然而問題是，我們沒辦法接近并親自觀察它們。我們甚至無法拍攝黑洞內部的任何照片——既然光線無法逃脫黑洞的巨大引力，那么相機根本無法捕捉其中的影像。目前的理論表明，任何越過事件視界的物體都會成為黑洞的一部分。更重要的是，由于事件視界附近的時間也彎曲了，這一過程會變得極其緩慢，因此我們沒辦法很快得到答案。

　　“我認為標準的故事答案是黑洞會通向時間的終結，” 哈佛大學天文學教授道格拉斯·芬克拜納(Douglas Finkbeiner)說，“一個遙遠的觀察者無法看到自己的宇航員朋友是如何落入黑洞的。由于引力的紅移效應，我們觀察到的接近事件視界的一切都會不斷變紅、變暗淡。但這位朋友最終會落入黑洞，去到一個超越‘永遠’的地方，無論那意味著什么。”

　　也許黑洞能通向白洞

　　誠然，如果黑洞能夠通往星系的另一端或者另一個宇宙，那么出口需要有與黑洞相反的東西。那會是白洞嗎?俄羅斯宇宙學家伊戈爾·諾維科夫(Igor Novikov)在 1964 年提出了白洞理論，他認為一個黑洞連接著一個存在于過去的白洞。與黑洞相反，光和物質能夠離開白洞，但是無法進入。

　　科學家一直都在探索黑洞與白洞之間的潛在聯系。2014 年，物理學家卡洛·羅維利(Carlo Rovelli)和哈爾·M·哈加德(Hal M. Haggard)在一項發表于《物理學評論D》上的研究中闡述道：“有一個經典度量可滿足有限時空區域之外的愛因斯坦方程，在那里物質坍縮成黑洞，然后又從白洞中出現。” 換句話說，黑洞吞下的所有物質都可能被拋出，而黑洞死亡后有可能變成白洞。

　　黑洞的坍縮并不會破壞其中的信息，相反它會經歷一次量子反彈，允許所有的信息逃逸。如果事實如此，這就能在一種程度上解釋斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)曾經提出的理論。20 世紀 70 年代，霍金探討了由于量子漲落而導致黑洞釋放粒子和輻射的可能性。

　　芬克拜納說：“霍金認為黑洞的壽命是有限的。”1976 年，霍金在《物理學評論D》上發表了相關論文。根據他的計算，黑洞會因為輻射而損失能量、收縮并最終消失。因為霍金提出黑洞發射的輻射是隨機的，并且不包含任何落入其中的信息，黑洞的爆發將抹去大量信息。

　　這意味著霍金的想法與量子理論相矛盾，因為量子理論認為信息是守恒的。如果信息會丟失，那信息搜索就更加艱難，過去和未來也無從知曉。霍金的想法導致了“黑洞信息悖論”的出現，這個悖論長期困擾著科學家。有人說霍金根本是錯的，而霍金本人甚至也在 2004 年都柏林的學術會議上宣稱他犯了錯，并推翻了自己原來的想法。

　　所以，我們是否又回到了之前討論的概念，即黑洞吸收的信息都會通過白洞拋出?或許事實正是如此。在 2013 年發表于《物理學評論快報》的一篇論文中，美國路易斯安那州立大學的若熱·普林(Jorge Pullin)和烏拉圭共和國大學的魯道夫·甘賓(Rodolfo Gambin)基于圈量子引力理論(loop quantum gravity)對黑洞進行了研究，他們發現越接近中心引力越大，但穿過中心后引力變弱，任何落入黑洞的事物都會在宇宙的另一端被拋出。這項研究支持了黑洞只是個入口的假說。在這項研究中，奇點不存在，所以落入黑洞的事物不會因為撞上奇點而毀滅。這也意味著，信息不會消失。

　　也許黑洞不通往任何地方

　　但是物理學家艾哈邁德·阿爾姆海里(Ahmed Almheiri)、唐納德·馬洛夫(Donald Marolf)、約瑟夫·波欽斯基(Joseph Polchinski)和詹姆斯·蘇利(James Sully)仍然相信，基于霍金的理論可以有進一步的發現。這 4 位科學家提出了 AMPS 火墻(或稱黑洞火墻)理論。根據他們的計算，量子力學可以將事件視界變成一堵巨大的火墻，任何接觸到它的東西都會立刻燃燒殆盡。從這個意義上講，黑洞不通往任何地方，因為甚至沒有東西可以進入黑洞。

　　然而，這一理論與愛因斯坦的廣義相對論相悖。根據相對論中的等價原理(equivalence principle)，穿過事件視界的物體(或人)不會受到極端引力的影響，可以輕松落入黑洞。火墻理論可能遵循了目前宇宙中黑洞以外區域的物理學定律，但即便不違背相對論，它也破壞了量子場論，并暗示信息是可以丟失的。

　　潮汐瓦解事件的藝術想象圖。當恒星過于靠近超大質量黑洞時，黑洞的潮汐力會將其撕裂。

　　黑洞充滿了不確定性

　　讓我們的話題再次轉向霍金。在 2014 年發表的研究中，霍金回避了“事件視界”這一說法，而是提出引力坍縮會產生“表觀視界”(apparent horizon)，這意味著沒有任何東西會因視界而燃燒。

　　表觀視界會阻止光線離開黑洞中心，并持續“一段時間”。在霍金的新理論中，表觀視界只是暫時困住物質和能量，但最終，表觀視界會消失，并釋放物質、能量。這一解釋支持了認為信息不會消失的量子理論，如果能得到證明，這就意味著任何事物都可以從黑洞中逃脫。

　　霍金甚至更進一步，認為黑洞或許并不存在。他寫道：“黑洞的中心不存在奇點，黑洞應該被重新定義為引力場的亞穩定束縛態。”由于引力作用，表觀視界內的物質會逐漸向內移動，但永遠不會坍縮到中心。

　　然而，任何被釋放出來的信息都不再是它們被吞噬前的樣子。我們無法通過被釋放的信息還原它們進入時的狀態，這也會引起問題——尤其是當人們發現自己正置身于這樣一個令人驚慌的處境之中。他們再也沒法跟以前一樣了!

　　可以肯定的是，這個奇妙的謎團還會困擾科學家很久。羅維利和弗朗西絲卡·維多托(Francesca Vidotto)最近提出，暗物質的成份之一可能是黑洞蒸發后的殘留物。2018 年，霍金的一篇關于黑洞和“軟毛”(soft hair)的論文被發布。“軟毛”是黑洞事件視界上的光子，它們會儲存落入黑洞的物質的信息。但由于事件視界的存在，這些信息從外部看來好像全部消失了。

　　這與物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)提出的無毛定理(no-hair theorem)截然不同。無毛定理的基礎是觀察者無法區分兩個不同的黑洞，因為黑洞的性質僅由質量、角動量和電荷這 3 個物理量確定，而其他信息(毛發)全部消失了。這個理論已經引起了科學家的討論，但是距離解答“黑洞通往何處”的問題，還有很長的路要走。
　　（邯鄲網站建設）