为什么霍金说“黑洞并不存在”

文/Rebecca+Jacobson+译/宋丽丽

2014年1月，著名物理学家斯蒂芬·霍金提出了一个重磅理论，那就是“黑洞并不存在”。这一言论来自霍金最新的论文，包含于一个关于黑洞的原理和著名的“事件视界”的论点之中。“事件视界”是黑洞最外围的区域，进入“事件视界”的所有物质，包括光，都无法逃出。

加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校凯维里理论物理研究所的科学家约瑟夫·波钦斯基（Joseph Polchinski）解释说，更准确地讲，霍金并不是说黑洞不存在，而是要解释一个长期困扰理论物理学界的难题。天文学家已经观察黑洞几十年了。如果黑洞违反了两大物理学的基本定律——爱因斯坦的广义相对论和量子力学，又如何让我们相信黑洞是存在的？

首先，我们来做个物理学基本知识的回顾。爱因斯坦的广义相对论首先构想出黑洞作为天体的存在。黑洞有着非常强大的引力场，以至于任何物体，包括气体、星尘、恒星、行星、整个星系，甚至光线，在到达“事件视界”后，都会落到黑洞里并被永远困在里边，最终被压碎，无法从中逃逸。

但是随着20世纪中期量子力学的出现，一些人相信黑洞会保留被吞噬物体的痕迹，也就是说，被困在黑洞里的一些由物质和粒子组成的信息可以在某些角落得以保存。波钦斯基解释道，根据量子力学，黑洞可以把一本书压成碎片，但只要这些碎片还存在，就有可能重新恢复这本书。

但20世纪70年代，霍金发表了一篇关于黑洞的论文，颠覆了这一切。霍金认为，黑洞实际上在失去质量，辐射出能量并最终蒸发。如果黑洞会蒸发，那么它会带走所有被它吞噬的物质。这样一来，信息就不会被保存下来，而是会消失。这一颠覆，让科学突然之间没道理了。物理学由此面临一个巨大的困境，就是被黑洞吞噬的物体最终去哪里了。这一问题引发了著名的“黑洞信息悖论”。

“这一悖论还没被完全解决。”美国新泽西州的普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西纳（Juan Maldacena）说道，“对于如何解决它，有各种不同的想法，但没有一种想法得到了这一领域的其他人的认同。”其中就包括霍金最新的关于黑洞的看法。这一想法重新定义了“事件视界”。简单来说，霍金似乎是在用一个更温和的“视边界”的概念来取代“事件视界”。在“视边界”里，物质和能量会被暂时性地扣留，但最终会被释放出去。如果这是真的，那将会改变我们对黑洞的认识。

霍金在他的论文中写道：“‘事件视界的缺失意味着黑洞不存在，这一意义上的黑洞指的是连光线都无法逃离的物理环境。”

波钦斯基认为，根据霍金的想法，黑洞确实可以困住信息很长一段时间，但这些信息最终会逃离，而不是被吞噬。霍金的这一说法并未得到证实。“退一步来说，我们现在确实面临着量子力学和爱因斯坦的广义相对论两大物理定律的冲突，而我们有充足的理由去相信这两大理论的真实性。但如果你把两者结合，会发现我们之前关于黑洞信息丢失的预测是一个错误。”波钦斯基说道。

关于这个问题，在过去的40年里，物理学家提出了多种解决方案，促使人们去重新思考黑洞内发生的一切。比如，1992年李奥纳特·苏士侃（Leonard Susskind）、拉若斯·拉尔索休斯（LarusThorlacius）以及约翰·乌格罗姆（John Uglom）提出了“黑洞互补原理”，之后又有了复杂的黑洞“火墙悖论”。2012年，波钦斯基和他的同事们发现了“事件视界”的一个问题。当粒子进入“事件视界”后，会被黑洞引力所撕裂。而研究表明，这些原子分解时会释放出能量，从而形成一个围绕着黑洞中心的“火墙”，也就是说，“事件视界”是一个高度活跃的区域。但这一观点却与爱因斯坦的广义相对论相冲突，因为广义相对论认为“事件视界”里没有什么反应发生。这就是著名的“火墙悖论”。

这也是霍金在最新发表的论文里建议物理学家重新思考“事件视界”的原因。霍金在最新的论文里表明，并不存在一个被损耗的“事件视界”，“视边界”才是黑洞的真正边界。

“如果你觉得困惑，那么你并不孤独。”马特·斯特拉斯（Matt Strassler）说道。他是罗格斯大学的理论物理学家，也是一位博客作家。整个理论物理学界仍然致力解决这些问题，而霍金的这一想法只是十几个提议里的一个。他说：“这一领域有很多不和谐的声音……这一问题还没人能实际去计算并解决。所以，这些都还只是想法、提议、粗略估计和猜想。”

“值得注意的是，霍金的提议没有得到同行的评议，也没有提出公式，所以我们没有办法去验证他的新想法。因此，他关于黑洞的论述还不能被当做科学界的重大突破。”波钦斯基说道。

霍金于2014年1月22日在arXiv 网站上发表了自己的论文，这是一个由康奈尔大学维护的学术论文网络。

如何解决这些围绕着黑洞的悖论呢？迄今为止，可以简单测试并解决这一新设想的数学公式还不存在。但这些是概念问题，而不仅仅是数学问题。斯特拉斯说：“这不是那种可以依赖计算机进行的运算，我们甚至没办法搞清楚究竟应该问什么问题。这些计算会涉及非常微妙的结果，而计算机是无法捕捉到的。”

这个问题让这一领域的每一个人都感到困惑。但这一困惑也让物理学家感到兴奋，因为解决悖论会让这一领域得到进步。 “这并不是个错误，只是在某种程度上，我们关于量子力学和广义相对论的一些假设是有问题的，而我们正试着去弄清楚这究竟是怎么回事。这是困惑，同时我们也希望可以由此走向进步。”波钦斯基说道。

背景知识

黑洞是广义相对论预言的，在宇宙空间中存在的一种密度相当大的天体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后，发生引力塌缩形成的。黑洞的密度是如此之大，它产生的引力场是如此之强，以至于任何物质和辐射都无法逃逸，就连传播速度最快的光（电磁波）也逃逸不出来。在黑洞的周围，是一个无法侦测的“事件视界”，标志着无法返回的临界点。endprint