到底有没有黑洞 ——三论黑洞火墙与量子纠缠

( 英国著名物理学家史蒂芬·霍金（摄于2010年） )

曾经有记者采访剑桥大学的理论物理学家史蒂芬·霍金教授：如果有机会，你会问爱因斯坦一个什么问题？霍金想了想回答说：他会问爱因斯坦，为什么不相信黑洞的存在。正是爱因斯坦在1916年发表的通过几何语言来描述引力的广义相对论，开启了现代宇宙学的研究，使一个把整个宇宙当作研究对象的学问成为一门系统的科学。在宇宙学研究中，黑洞研究已经成为一门研究者众多的“显学”，但是倔强的爱因斯坦在生前除了对量子力学始终抱以怀疑态度之外，对于看似是由自己的理论所衍生出的必然产物——黑洞，也同样抱以怀疑的态度，这难免让当今以黑洞为研究对象的宇宙学家们感到有些尴尬。

无论如何，在现代社会，黑洞的存在于物理学界已经是一个公认的事实，而且通过探测，宇宙学家们了解到，正是在一些大星系（比如我们所在的银河系）的中心存在着超大型的黑洞，星系才能够依靠黑洞的巨大质量所产生的引力来维系整个星系的结构。但这种宇宙中最神秘的天体注定不会平静，在两年之前一个关于“黑洞火墙”的悖论的提出，让整个理论物理学界陷入了尴尬的境地，至今仍然没有讨论出结果。

2012年，美国理论物理学家约瑟夫·波尔津斯基（Joseph Polchinski）和其他几位物理学家共同发表论文《黑洞：互补性或是火墙？》（Black Holes：Complementarity or Fire-walls？）。这篇最初没有吸引太大关注的论文引发了“黑洞火墙”悖论：根据量子力学，对于蒸发过半的老年黑洞，在它的视界边缘，必然会存在着一层由高能粒子构成的“火墙”，可以在瞬间烧毁任何进入黑洞的物质，并且破坏它们与黑洞外界所形成的量子纠缠；而对于广义相对论的信仰者来说，火墙的说法再荒谬不过，黑洞的视界只是一个数学上的概念而已，在时空特性上没有任何特殊之处，怎么会存在一层听上去玄而又玄的火墙？悖论出现之后，理论物理学家们纷纷抛出自己的观点，大致可以分为“有火墙派”和“无火墙派”两种论调。

而就在2014年初，著名的理论物理学家史蒂芬·霍金针对这个问题也提出了自己的看法，他并未在目前的两派之间做出选择，而是提出了一个更加令人震惊的观点，可以被当作是第三种可能——霍金对黑洞最基本的性质提出了质疑，不是有没有火墙，而是有没有黑洞的问题。霍金的观点在科学界引起了巨大的争论，而且迅速被大众媒体解读为“霍金认为黑洞并不存在”——吸引眼球的标题。

如今如果有一位理论物理学家声称黑洞并不存在，除了会损害自己的名誉之外恐怕不会在学术界引起任何反响，除非这个人是史蒂芬·霍金。这位如今世界上最著名的理论物理学家在2014年1月22日，通过网络发表了他最新论文的预印本，这篇论文甚至算不上是一篇标准的学术论文，除去摘要和参考文献，只有两页内容，而且没有任何一个数学公式，实际上这只是霍金在2013年8月在加州大学圣·芭芭拉分校理论物理研究所举行的一次物理学会议上的发言总结而已。而就在这篇文章中，霍金对于黑洞的本质提出了质疑，他认为这正是解决黑洞火墙悖论的关键。如果霍金的理论正确的话，我们就可以说，经典意义上的吞噬一切物质的理论上的黑洞，并不存在，这种天体（即使存在的话）的性质比我们此前想象的要更加复杂。权威的《自然》杂志则立刻用比霍金论文更长的篇幅来对他的观点进行解读。

霍金认为传统意义上的吞噬一切物质和信息的黑洞可能实际上并不存在，这个观点与他自己在20世纪70年代提出的“霍金辐射”（Hawking Radiation）理论有相似之处。根据量子力学的不确定性原理，黑洞会在视界（Event Horizon）边缘向外进行辐射，这个特性也被称为“霍金蒸发”，在理论上黑洞会因为这个性质慢慢地释放能量，直至消亡。

而霍金最新的观点则更进了一步，在他的拥有奇怪名字的简短论文《信息存储与黑洞天气预测》（Information Preservation and Weather Forecas-ting for Black Holes）中，他认为，因为在黑洞周围时空的剧烈扭曲，可能并不存在经典意义上的、光滑的、拥有明确界限的视界，取而代之的则是“表观界限”（Apparent Horizon），这个界限类似于视界却不相同，而且在理论上可以分辨：当黑洞吸收了更多的物质，黑洞视界的范围就会增大，超越表观界限；而当黑洞通过蒸发变小时，黑洞视界的范围又会小于表观视界。表观界限是一个事物和信息进入黑洞的界限，但是进入黑洞的事物和信息只是被黑洞暂时保存，总有一天会被黑洞重新释放出来，也就是从这个意义上说，霍金认为，传统意义上的黑洞可能并不存在，在黑洞的中心，甚至可能并不存在此前人们认为密度无限大的、无法用当代物理学定律所解释的“奇点”。作为现代黑洞理论开创者之一的霍金教授，通过这篇简短的论文重新定义了现代黑洞的性质，从另一个角度解决了黑洞火墙的悖论。

霍金作为目前世界上最有名气、也最引人注目的理论物理学家，他的任何言论自然都会引起人们的极大关注，尤其是在理论物理学方面，涉及到黑洞理论的问题，人们更是希望听到这位科学泰斗的见解。但是当涉及到严肃且高深的科学问题，大众媒体恐怕更喜欢用一种耸人听闻的方式去解读霍金的言论。“黑洞”是否存在，无论是在理论上还是在宇宙学观测上都没有太大的争议，霍金所指的，是人们所讨论的传统意义上的、吸收一切、存在一个清晰视界和内在奇点的经典黑洞。为了解决黑洞火墙悖论，霍金提出的是一个更现代的黑洞概念。

那么，霍金是否完美地解决了黑洞火墙悖论？起码现在还没有定论，只能算是给出了第三种可能的解释而已。尽管人们对于黑洞的具体性质还没有全部了解，但是它作为一种致密天体的存在早已没有争议，而黑洞火墙悖论的中心，仍然在于量子力学与广义相对论的矛盾。量子力学把黑洞的视界定义为一个神秘的、拥有巨大能量的火墙；广义相对论则拒绝承认在宇宙中存在这种神奇的火墙，认为黑洞视界只是一种数学上的存在而已。因此，要想真正解决黑洞火墙悖论，人类需要对自然界有更深刻的理解。霍金自己也承认，要想真正理解物质和信息最终从黑洞中逃脱的原理，最终需要人们把引力和自然界的其他作用力合而为一，这是一个困扰了物理学家们将近一个世纪的难题，至今仍然没有得到解决。作为人类现代文明的两块基石，广义相对论通过优美的数学形式描述宇宙，目前人们认为对它已经有足够深刻的理解，而量子力学则通过一种概率化的形式描述微观世界，它的内涵和基本规律仍然不为人知，就连量子力学的创立者尼尔斯·玻尔也说“没有人理解量子力学”。黑洞火墙悖论，是这两种理论在宇宙深处的交锋，而交锋的结果，目前仍然无法预料。

（文 / 文      苗千） 黑洞科学科普物理霍金悖论霍金辐射火墙史蒂芬-霍金广义相对论纠缠量子量子纠缠三论理论物理