黑洞之谜

黑洞是否真的存在？

黑洞这个词大概现在的三岁小孩也听到过，它的名气实在是太响了。但是，能够正确理解黑洞到底是什么的人其实并不多，对黑洞的各种误解也是普遍存在的。我要用三节的篇幅给你讲讲黑洞之谜。

我们先从对黑洞最朴素的理解开始，一点一点走进真实的黑洞。牛顿发现了万有引力定律，解释了为什么地球上的每一个人都觉得自己是头朝上脚朝下，也解释了月亮为什么不会掉到地面上。

我们每一个人都受到来自地球的吸引力，但这个吸引力其实并不是那么强大，我们只要双脚一用力，就能跳起来，短暂地对抗地心引力。起跳的初速度越大，我们就能蹦得越高，在空中停留的时间也越长。当年，牛顿就计算出来，如果我们起跳的速度能达到7.9千米/秒的话，那么，我们就永远也不会掉回地球了，我们会成为地球的一颗卫星，绕着地球转，就像月亮那样。而这个速度被称为“第一宇宙速度”，也叫“环绕速度”，就是要成为一颗环绕地球运动的卫星所需要的最小速度。理论上来说，任何星球都有属于自己的环绕速度。

那这个7.9千米/秒的数值是怎么计算出来的呢？实际上，这个数值是根据牛顿的万有引力定律公式推导出来的，它只跟两样东西有关，那就是星球的质量和体积，与我们自己本身有多重没有关系。环绕速度与星球的质量成正比，与体积成反比。太阳的质量和体积都要比地球大得多，太阳的环绕速度是220千米/秒，当然，这个速度是相对于太阳的速度，而不是相对于地球的速度。你看，这个数值就比地球的环绕速度的数值大了很多。这些知识，人类在牛顿时代就已经搞得清清楚楚了。

200多年前，有一位叫拉普拉斯的天体物理学家，有一天他突发奇想，假如有一个天体的环绕速度超过了光速，那么，岂不是连光都无法从这个天体上跑出来了吗？那这个天体岂不是变成全黑的了吗？他还动手大致算了算，太阳的半径如果缩小到只有3千米，这意味着体积要缩小万万亿倍，就会成为这样一颗不发光的恒星。但拉普拉斯只是随便想了想，并没有深究，他认为宇宙中不会有这样的恒星存在，只是一种纯粹的数学计算罢了。后来，他又知道了光是一种波，而不是由一个个有质量的微粒构成的。所以，拉普拉斯就更觉得自己是胡思乱想了。

用拉普拉斯的这种想法来理解黑洞是一种最朴素的方法，也是大多数人理解到的层次，但是，这却并不是对黑洞的正确理解，接下去，我要给你讲一些高级货。

拉普拉斯之后，光阴如梭，一晃100多年就过去了，时间走到了1915年，爱因斯坦大神把人类对宇宙的认识推进到了一个远超牛顿的境界。大神告诉人们，万有引力只是时空弯曲的一种表现形式罢了，牛顿的万有引力只是对时空弯曲本质的一个近似公式，如果太阳的半径真的缩小到了只有3千米，那万有引力公式就不适用了。要真正把时间、空间、运动、引力这些东西的相互关系给搞清楚，那就必须要用到一个超级烧脑的方程式，这就是爱因斯坦场方程，爱因斯坦的理论就是大名鼎鼎的相对论。

1915年，正值第一次世界大战时期，在德国和俄国交战的前线，有一位年轻的德国炮兵上尉，他的名字叫史瓦西，他看到了爱因斯坦那个超级烧脑的方程式后，本能地就爱上了它，当其他物理学家还在质疑这个方程的时候，史瓦西已经开始默默计算了。他花了很长的时间，终于找到了爱因斯坦场方程的一个特殊解。他发现了一个惊人的情况，这个情况和拉普拉斯当年发现的情况有着异曲同工之处。

史瓦西根据相对论计算出来，如果把太阳压缩到半径3千米，或者把地球压缩到只有一个巧克力豆那么大，这时，在地球或者太阳中心点的时空就会被弯曲到无穷大，就好像时间和空间在这个地方打了个结。没有任何东西能够从它们的表面逃脱，连光也不例外，这倒不是因为光速小于环绕速度。其实，在这种情况下，已经不存在环绕速度的概念了，因为时空在这个地方被弯曲成了一个深深的洞，光掉进去了就再也找不到出口了，事实上，根本就不存在出口。后来，科学家们就把这样一种奇怪的天体称作“黑洞”。因此，黑洞实际上不是一个洞，在天文学上，它是一个有质量的天体。

黑洞是我们这个宇宙中已知的最奇怪的一种天体。我们永远也无法看到黑洞里面的样子，因为在那里面，时间和空间已经打成了一个结，也可以说，时间和空间都不复存在了。黑洞就像宇宙中的一个吸尘器，不断地吞食着一切靠近它的物质，而且吞进去了就别想再跑出来。

实际上，黑洞比你想象得还要怪异。所谓黑洞的大小，只是黑洞的中心到边界的大小。在这个黑乎乎的区域中，其实是空无一物的。那你可能要感到很奇怪了，物质都跑到哪里去了呢？其实，我刚才说把地球压缩到一个巧克力豆那么大，真实的情况是，一旦地球被压缩到巧克力豆那么大时，就没有任何力量能够阻止地球继续收缩了，只留下一个黑洞洞的外壳。那么，地球上的物质到底跑到哪里去了呢？我只知道它们会一直一直收缩下去，永远停不下来。你一定要让我告诉你到底最后会怎么样，我只能回答你，对不起，我想到一半就已经昏迷不醒了，求你别问了。如果你去问科学家，他们可能会这样回答你，这些物质最后都会收缩成一个非常非常奇怪的点，我们就把这个点叫“奇点”，哎呀小伙子，等你长大了就明白了。好吧，其实我现在长这么大了，也还是想不明白。

正因为这样，当黑洞刚刚被提出来的时候，几乎没有人相信宇宙中真的会有这样奇怪的天体。后来，著名的物理学家霍金和别人一起发现，似乎宇宙中出现这样的一种奇怪天体是不可避免的。随着相对论被一个又一个的实验所证实，科学家们的信念更加坚定了。但是，科学精神有一条非常重要的原则，那就是“非同寻常的主张，需要非同寻常的证据”。黑洞显然是一个非同寻常的主张，那就必须要有非同寻常的证据。要最终证明黑洞的存在，必须要找到天文观测的证据。于是，天文学家们开始了艰苦卓绝的努力。在几十年以前，黑洞的真实性一直是天文学中最大的未解之谜。

直到20世纪70年代，天文学家们才普遍猜测有一个过去一直搞不明白的奇怪天体很有可能就是黑洞。这个天体距离地球大约6000光年，放出非常强烈的X光。你可能会奇怪，不是说黑洞不发光吗？怎么又会放出强烈的X光呢？这是因为物质在向黑洞的坠落过程中，会形成一个围绕着黑洞的大旋涡，这被叫作吸积盘，因此X光不是黑洞发出来的，而是吸积盘中的气体高速摩擦发出来的，这些X光可以看成是黑洞存在的间接证据，但并不是直接证据。

但即便是这样的间接证据也是很罕见的。我能查到的公开资料显示：截止到2007年，天文学家们努力了半个多世纪，也仅仅找到了17个黑洞候选者。第一份黑洞存在的直接证据一直要到2015年9月14日才出现。那一天，位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号。经过8个月的分析论证后，在2016年6月16日清晨，美国科学家正式向全世界宣布：这个持续了不到2秒的引力波信号正是两个黑洞并合产生的引力波信号，在茫茫宇宙中穿行了13亿年，才抵达地球，恰好被人类捕捉到。

从黑洞存在之谜被提出到解决，恰好过去了100年，但人类对黑洞的研究其实才刚刚起步，因为，科学家们发现，关于黑洞还有更多的未解之谜在等待着解答。

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黑洞内部什么情况？

关于黑洞，所有人最想知道的第一个谜题就是，黑洞的内部到底有什么？当然，这样的问法可能并不是十分严谨，比这更好的问法是：如果我们能穿过黑洞的视界面，会遇到什么情况呢？

这个问题，一直是几十年以来，天体物理学家们致力解决的重大谜题之一。

要把这个问题讲清楚，我们要从黑洞的物理性质说起。黑洞是目前人类已知的、宇宙中最简单的天体，只需要用三个物理参数就可以描述一个黑洞，它们是：质量、角动量和电荷。质量决定了黑洞的大小，但一个黑洞质量一定是大于零的。角动量是任何旋转的物体所具有的一种物理量，黑洞的角动量可以是零，表示该黑洞不旋转。电荷是衡量物体带电多少的一个物理量，黑洞的电荷也可以为零，表示该黑洞不带电。这样一来，我们就可以根据是否带电和是否旋转来把黑洞分成四种，也就是：

第一种：不带电不旋转；第二种：带电不旋转；第三种：不带电旋转；第四种：又带电又旋转。现代的理论物理学家们已经可以用数学建模和计算机模拟的方式来推测黑洞内部大概是一种什么情况。

我们先来看第一种，也是最简单的一种黑洞，不带电不旋转的黑洞，这种黑洞是一位叫史瓦西的物理学家最先提出来的，因此也被称为史瓦西黑洞。这种黑洞实在是太简单了，它只有唯一的一个参数，那就是质量。

如果我是一个外部观察者，看着你驾驶着飞船飞向史瓦西黑洞，我会看到你的动作随着接近黑洞，就会变得越来越慢，因为黑洞附近的时间会变得越来越慢，我看到你的颜色也越来越红，因为光的频率被扭曲的时空越降越低，频率越低，我们人眼睛就会觉得颜色越红。到了黑洞的视界面上，光的频率已经被降到无限低了，所以，这里也被叫作无限红移面。请记住这个名词，后面还要频繁出现。对于史瓦西黑洞，视界面也就是无限红移面。当飞船接近黑洞的过程中，会被黑洞的潮汐力拉长，黑洞越小，潮汐力反而越大，飞船也会被拉得越长，超过一定的临界值，飞船就会被扯碎。我们现在假设你飞向的是一个超大质量的史瓦西黑洞，你不会被潮汐力扯碎，这时，如果镜头回到你自己身上，你又会看到什么呢？

实际上，你并不会有太多的感觉，时间和空间从你的角度来看，都依然是正常的，只是如果你回头看宇宙背景的星光，会变得越来越蓝。你会看到一个黑乎乎的黑洞视界面离你越来越近，穿过视界面的一刹那，你不会有任何感觉，除了飞船上的电子仪器会发现来自宇宙中的一切电磁波信号逐渐减弱，直至全部消失。飞过视界后的情况科学家们就有分歧了。一些量子物理学家认为，飞过视界后，你马上会遇到一堵火墙，你会被烧得连渣也不剩。但另一些广义相对论学家认为，你会继续安然地朝着黑洞的中心，也就是奇点不可逆转地飞去。注意，此时的不可逆转不是因为你的飞船无法掉头往外飞，而是时间的箭头指向了奇点，不论你做什么，时间都是不可逆转的，它一定把你带向奇点。而且，不论黑洞的质量有多大，黑洞在你身上引起的潮汐力一定是随着靠近奇点而增大的，你和你的飞船迟早要被彻底扯碎成一个个的基本粒子，最后都被奇点无情地吞入。到底你是会被火墙烧死还是被潮汐力扯碎呢？对不起，这是一个宇宙未解之迷。

说实话，史瓦西黑洞一点儿都不好玩。好在，宇宙中也是最不可能出现史瓦西黑洞的，因为要出现这种黑洞的条件极为苛刻，或许只有在宇宙大爆炸时才会诞生，又或许宇宙中压根就不存在这种黑洞。另一种带电不旋转的黑洞就要有趣得多。这种黑洞也被叫作R-N黑洞，以两位科学家姓名的首字母命名。

R-N黑洞与史瓦西黑洞不同，它有两个视界面。当你穿过最外层的视界后，就会进入一个叫单向膜区的空间，这个空间的时间箭头指向黑洞的中心奇点，所以它是单向的，你不可能再出去了。

在飞向奇点的过程中，你会撞到第二层视界面，也就是内视界面。进入内视界面以后，这里边是正常的时空，不是单向膜区，但是如果你想凑近奇点看看的话，你会发现，一股斥力推着你，死活不让你靠近，你想撞也撞不上去。过一会儿你发现事情不对劲了，时间似乎循环了。简而言之，你走了一个“闭合类时线”。这是物理学上的一个术语，表示四维时空沿着时间方向完成了一个闭环，形成了一个时间圈环，奇怪的事情将不可避免地发生，你将永远陷入时间循环中。但是，时间循环会产生讨厌的祖母悖论，会破坏很多科学家心目中神圣的因果律法则。所以，就有一些科学家坚持，一定还有尚未发现的物理法则阻止这种情况的发生，R-N黑洞的内部并不是我前面描述的那样。那R-N黑洞的内部到底是怎样呢？不知道，这是未解之谜啊。

20世纪60年代，物理学家克尔又计算出了一种与R-N黑洞刚好相反的黑洞类型，R-N黑洞是带电不旋转，克尔黑洞则是旋转不带电。不久之后，在克尔黑洞的基础上，物理学家纽曼计算出了又带电又旋转的黑洞，这种黑洞就叫克尔-纽曼黑洞，这两种黑洞大同小异，因此我们放在一块儿来说。

第一，旋转的黑洞是个扁球，不是圆的。因为一旋转，赤道就鼓起来了，地球也是赤道比两极略鼓。第二是无限红移面跟外视界分离了。无限红移面在赤道鼓出去一块。第三是内部有个沙漏状的内无限红移面，里面是正常时空。内外两个视界面之间是单向膜区。这个沙漏的喉部有个奇环，而不是奇点。在无限红移面和外视界面之间，有个非常神奇的能层。注意，这个能层实际还是黑洞的外部，并没有越过黑洞的视界。

如果在能层中，飞船有一大块零件掉了下来，掉进了黑洞，这时候你会感到一股强大的动力把你从能层里面给踢出来了。外部观察者会看到飞船被弹出了能层，飞离了黑洞范围。电影《星际穿越》中飞船逃离黑洞就是利用了这个原理，男主不幸地充当了那个掉入黑洞的零件。

刚才这个过程，它的原理并不是牛顿第三定律，也就是作用和反作用力，扔出一块零件，如果按照牛顿第三定律，产生的推力是极小的。这个原理最先是英国物理学家彭罗斯算出来的，叫“彭罗斯过程”。我们平常扔出一个球，这个球拥有的能量总是正的。但是在克尔-纽曼黑洞的能层里面，这个球的动能居然是负的。但能量守恒定律不会变，所以一个物体，分裂成两半，一半带有负能量，另一半必定能量增加。飞船掉进克尔-纽曼黑洞的能层会被弹出来，道理就是如此。

如果你没有及时地扔出一个零件，那么你肯定会掉进克尔-纽曼黑洞的视界里面。接下去发生的一切，就纯属猜想了。

穿过视界面，就进入单向膜区。钻黑洞，我们不是第一回了。单向膜区之前已经解释过，不被拉成面条就是万幸，至于拉成兰州风格的还是意大利风格的，要看黑洞内部的稳定性。穿过单向膜区，通过内视界面、内无限红移面，就会来到奇环附近。这里面有一个正常的时空，人可以存活。科学家们猜想，奇环可以把你传送到另一个宇宙中。这个宇宙可能是以斥力为特征的非常奇怪的一个宇宙。总之，这一切都还是宇宙未解之谜。

但有一点几乎可以肯定，不管是哪种黑洞，进去了就永远不可能回到同一个宇宙了。黑洞的谜题还没完，咱们下节接着聊。

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黑洞蒸发和信息守恒

黑洞这个概念在被提出的很长一段时间中，科学家们都认为黑洞就像是这个宇宙中的吸尘器，只进不出，它会伴随着宇宙一直存在下去。然而，英国物理学家霍金却对这个观念发起了挑战。这是怎么一回事呢？

原来，那些专门研究微观世界的科学家们发现，我们过去认为的真空其实并不是空无一物的。在真空中，总是会有一对一对的虚粒子不断地涌现出来，它们一个带有正能量，一个带有负能量，在极短极短的时间内，正负粒子又相互碰撞湮灭。我们打个比方，你在太空观察地球的海洋，你会发现海洋就像是光滑的玻璃珠的表面，当你下降到飞机航班的高度，你会看到微小的波纹。当你下降到海平面上，你会看到滔天的巨浪。真空就像是海洋，测量越是精细，真空的变化就越是剧烈。所谓的真空，其实就是一锅沸腾的虚粒子海洋，不断翻滚着虚粒子的泡沫和浪花。

这个研究成果，给了霍金极大的启发，有一天，他突然想到，假如真空是虚粒子的海洋的话，那么黑洞就不可能一直稳定地存在了，黑洞有可能会像水滴一样蒸发掉。霍金是怎么想的呢？

我之前说过黑洞那个黑乎乎的外壳叫作视界面，任何东西越过了视界面就别想再跑出来了。霍金是这样想的，如果在黑洞的视界面上突然生成了一对粒子。本来它们会再次碰撞相互抵消。但是，事不凑巧，那个负能量粒子掉进了黑洞视界面，正能量粒子在外边。因此它们再也无法见面，再也无法相互抵消了。于是这两个虚粒子就变成了真实的粒子。黑洞吃掉一个负能量粒子，自己的质量也就减少了一分。正能量粒子看起来就好像是从视界面上被发射出来一样。整体上看，就像是黑洞在不断地放出辐射，在不断地变小。霍金管这个过程叫作“黑洞蒸发”，这种辐射也被科学界称为“霍金辐射”。

如果一个物体能放出辐射，那么就意味着它有温度。霍金计算出黑洞的温度和大小有关系。普通物体是温度越高放热越厉害，温度下降越快，最终和外界达到热平衡。比如，一杯热茶，放在那里你不去管它，最后温度总是会和周围的环境保持一致。但是，黑洞却很奇怪，它越是放出热量，温度反而会上升，因此黑洞是无论如何也不可能和外界达到热平衡的。越是小的黑洞温度反而越高，这也就意味着黑洞最终的命运都是蒸发殆尽。

霍金的这个想法结合了相对论和量子力学，具有开创性，所以，霍金也因为这个成就迈入了顶尖物理学家的行列。

不过，霍金辐射到底是不是真的，到目前为止依然是一个宇宙未解之谜，因为我们人类从来没有观测到这种辐射，原因在于这种辐射极其微弱，微弱到以人类目前的科技水平，根本不可能检测到一个遥远黑洞发出的辐射。而黑洞的蒸发速度又极为缓慢，以人类现有的观测技术，我们也不可能在有生之年检测出一个黑洞的质量在逐步缩小。这也是为什么霍金名气那么大，却没有获得诺贝尔物理学奖，原因还是在于我经常说的那句话，非同寻常的主张就需要非同寻常的证据。霍金的理论虽然从数学上来说，极为大胆创新，可是还没有证据。

霍金辐射还引出了另外一个有关黑洞的未解之谜，这被称为黑洞信息悖论。所谓悖论，就是两个观点互相矛盾的意思。为了把这个问题给你讲清楚，咱们要先来了解一下物理学家嘴里所说的信息是什么含义。

按照最简单的一种定义，信息就是能减少事物的不确定性的性质。我们来打个比方，对于一块蛋糕，你可以舔一舔尝尝是甜的还是咸的，你可以掂一下重量，你还可以看到它的颜色，这些都是信息。信息越是丰富，不确定性也就越少。假如你把蛋糕扔进黑洞，那么你就什么也无法知道了，不确定性几乎达到最高。我们人的感官有限，很多信息摆在我们面前我们也感知不到，一段文字被加密，尽管信息没有少，我们照样看不懂。但是，你从基本粒子的角度去看，你会发现信息变来变去，总数其实并没有少。因为，不论物质变成什么样的形态，都是基本粒子的排列组合。

基本粒子总是遵守一系列的守恒定律，比如能量守恒。能量不能被创造也不能被消灭，总是从一个状态变成另一个状态。因此，大多数物理学家就认为，信息也是守恒的，一个量子所包含的信息是不能被复制的，也不能被消灭。不过，这里经常会产生一个误解，物理学家们谈论的信息守恒，准确地说，我的理解是信息量守恒。如果把《时间的形状》这本书给烧掉，那么，书上所表达出来的地球人能理解的那些内容信息都消失了，但是，内容是人的主观赋予的，并不是一种客观实在的物理性质，书上的内容虽然消失了，但是组成这本书的每一个基本粒子的所有物理性质却不会消失。因此，从基本粒子的角度来说，信息量是守恒的。

现在我们把一本书扔进黑洞，这本书的信息量还守恒吗？过去，科学家们认为，还是守恒的，虽然我们搞不清黑洞内部的情况，但信息还是应该以某种形式存在的。现在好了，霍金先生搞出了一个霍金辐射，说黑洞最终会蒸发殆尽的。那这么一来，岂不是这本书的信息就永远消失了吗？

于是，很多搞量子研究的科学家非常反对黑洞蒸发的理论，不光是因为信息守恒被破坏，更要命的是，如果信息守恒被破坏，还会破坏另外一个看上去更天经地义的法则，那就是概率的总和是100%，你抛硬币，正反面出现的概率加起来如果不是100%，这不是见鬼了吗？

面对这样的质疑，霍金的态度也很强硬，他说，信息守恒不是金科玉律，谁说信息一定要守恒啊。为此，霍金还跟人打赌，可是过了7年，也就是到了2004年，霍金公开认输，他说自己搞错了，信息是守恒的。但是他说黑洞蒸发理论没错，关键在于，以前我们认为黑洞蒸发，所有的信息也跟着蒸发消失了，其实不是。其他物理学家也发现，霍金辐射是可以把信息从黑洞里带出来的。这样一来，黑洞蒸发并不破坏信息守恒法则。

实际上，解决黑洞信息矛盾的办法还有一些，有的科学家认为，黑洞的表面就是一张全系膜，别看是二维的，掉进去的东西包含的信息其实都记录在了这张二维的膜上。信息没有进入黑洞，当然就是守恒的。

也有人说，物质掉进黑洞之前会撞上一道火墙，会把物质烧到渣都不剩。这样信息就留在了黑洞之外。也有人说，黑洞附近的时空太特殊了。你要是掉进黑洞的话，你会感觉穿透了视界面，但是远方的观察者会觉得你被烧毁了。因为观察位置不同，看到的结果也是大相径庭的。

霍金在晚年时，对很多理论都做了修正，他认为过去的很多计算只是考虑了极端情况。所以在网络上常常能见到诸如霍金被推翻、霍金认错之类的标题党，其实他只是做了一部分修正。

总之，到现在为止，黑洞蒸发到底会不会破坏信息守恒，依然还是一个未解之谜，因为没有办法做实验验证。

物理学史上各种反转的案例并不少见，例如引力波就经历过从提出到被否定又被证实的曲折过程。黑洞蒸发是否打破信息守恒的问题，现在还很难下结论。但这不奇怪，科学就是这样在不断的质疑和探索中一步一步向前迈进的。

好了，讲到这里，我们关于黑洞的话题，就全部结束了。关于黑洞蒸发原理的生动展示，大家可以到“科学有故事”的微信公号中回复“黑洞三”进行观看。