黑洞不是洞

廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)了黑洞的存在，卻留下了信息佚失的矛盾。現(xiàn)在好了，利用量子效應(yīng)也許能避免黑洞形成，以密度極高的天體“黑星”取而代之。

黑洞成為大眾文化的一部分已有數(shù)十年了，在電影《星際迷航》中，它還扮演了主要的角色。這一點(diǎn)兒也不奇怪，這些恒星塌縮后的陰暗殘骸，似乎專門(mén)用來(lái)引發(fā)我們最原始的恐懼：黑洞會(huì)將某些秘密隱藏在其簾幕之后(c包就是它的“事件視界”)，任何人或物只要墜落其中，就注定無(wú)從逃脫，所有被它吸入的東西，必然被徹底摧毀。

對(duì)理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，黑洞是愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程式的一個(gè)解，而該方程式是廣義相對(duì)論的核心。在廣義相對(duì)論中，時(shí)空就像是由彈性材質(zhì)所建構(gòu)的，而物質(zhì)與能量可將其扭曲，所造成的時(shí)空曲率又控制了物質(zhì)與能量的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了我們所認(rèn)知的重力。這些方程式清楚地預(yù)測(cè)，在時(shí)空中有些區(qū)域里的訊號(hào)無(wú)法傳到遙遠(yuǎn)的觀測(cè)者所在，這些區(qū)域就是黑洞。在黑洞內(nèi)的“奇異點(diǎn)”，物質(zhì)密度趨近于無(wú)限大，環(huán)繞其四周的空曠地帶具有極強(qiáng)大的重力，沒(méi)有任何東西(包括光)能夠逃離。物理學(xué)家以事件視界將此重力強(qiáng)大的地帶與其他區(qū)域分隔開(kāi)來(lái)。在最簡(jiǎn)單的情況下，事件視界是個(gè)球體，若黑洞的質(zhì)量與太陽(yáng)相當(dāng)，此球的直徑只有6千米。

談過(guò)了科幻與理論，那么實(shí)際的狀況又是如何呢?各式各樣精密的天文觀測(cè)結(jié)果都指出，宇宙中確實(shí)存在一些超致密物體，它們完全不散發(fā)任何光芒或輻射。這些幽暗天體的質(zhì)量在數(shù)個(gè)到數(shù)百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，而依據(jù)最優(yōu)秀的天文物理學(xué)家估算，它們的直徑范圍則在區(qū)區(qū)數(shù)百千米到數(shù)百萬(wàn)千米之間，符合廣義相對(duì)論對(duì)此質(zhì)量范圍內(nèi)黑洞的預(yù)測(cè)。

但這些被觀測(cè)到的、既幽暗又致密的物體，真的就是廣義相對(duì)論預(yù)言的黑洞嗎?雖然目前的觀測(cè)與理論相當(dāng)吻合，但理論本身對(duì)黑洞的描述卻不太令人滿意。尤其是，廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)在每個(gè)黑洞里都有顆“奇異點(diǎn)”，顯示廣義相對(duì)論在這里失效。廣義相對(duì)論會(huì)失效，大概是因?yàn)樗⑽从?jì)人物質(zhì)與能量在微觀尺度上才會(huì)顯現(xiàn)的量子效應(yīng)。合并了量子力學(xué)的修正理論，一般稱為量子重力論，將可帶動(dòng)理論物理領(lǐng)域的許多新研究。

對(duì)量子重力論的需求，引發(fā)了一些迷人的問(wèn)題：被量子重力論修正過(guò)的黑洞會(huì)是什么樣子的呢?它們會(huì)和古典黑洞大相徑庭嗎?或者古典敘述依然是可行的?研究顯示，某些量子效應(yīng)是可以完全避免形成黑洞的，取而代之的是被我們命名為“黑星”的天體，它的密度不會(huì)跳升到無(wú)限大，也不會(huì)被事件視界包覆。黑星是由空間本身支撐起來(lái)的，這種“建材”意外的堅(jiān)固。

我們運(yùn)用一種稱為“半古典重力論”的古老方法得出這項(xiàng)結(jié)論，但我們并沒(méi)有使用關(guān)于塌縮物質(zhì)的所有假設(shè)，這樣或許能夠避免在那些研究中得出矛盾的結(jié)果。在量子重力論尚未完備的情況下，過(guò)去的30多年里，理論物理學(xué)家在分析量子力學(xué)如何改變黑洞時(shí)，都訴諸半古典重力論。半古典重力論將量子物理的觀點(diǎn)，特別是量子場(chǎng)論部分納入了古典的愛(ài)因斯坦重力理論中。

量子場(chǎng)論以充滿空間的場(chǎng)來(lái)描述電子、光子、夸克等任何你想得到的基本粒子，這方式非常類(lèi)似電磁場(chǎng)。量子場(chǎng)論的方程式通常是建立在平坦空間里的，也就是沒(méi)有重力的空間，半古典重力論則使用在彎曲空間里構(gòu)建出來(lái)的量子場(chǎng)論。

廣義來(lái)說(shuō)，半古典重力論所使用的策略如下：根據(jù)古典的廣義相對(duì)論，當(dāng)一群物質(zhì)聚積成某一狀態(tài)時(shí)，將產(chǎn)生某種特定的彎曲時(shí)空，但時(shí)空的曲率又會(huì)修改量子場(chǎng)的能量，受影響的能量再進(jìn)一步改變時(shí)空曲率，如此不斷循環(huán)。

這個(gè)做法的目標(biāo)是要獲得自我一致的解——一個(gè)彎曲時(shí)空，它的曲率產(chǎn)生于它所包含的量子場(chǎng)的能量。雖然重力本身還無(wú)法以量子理論來(lái)描述，但這種自治的解，在涉及量子效應(yīng)與重力的許多情況下，應(yīng)該可以相當(dāng)近似地預(yù)測(cè)真實(shí)情形。半古典重力論以一種極“輕微”的方式，把量子修正加入到廣義相對(duì)論里。因此，半古典重力論雖然仍以古典方法處理重力(也就是時(shí)空曲率)，但已考慮到物質(zhì)的量子行為。

但是，這個(gè)方法立即遭遇到一個(gè)尷尬的問(wèn)題：如果直接以它計(jì)算量子場(chǎng)的最低可能能量，也就是沒(méi)有任何粒子出現(xiàn)時(shí)的能量(稱為“零點(diǎn)能量”或“真空能量”)，會(huì)產(chǎn)生無(wú)限大的結(jié)果。事實(shí)上，這個(gè)問(wèn)題老早就出現(xiàn)在一般的量子場(chǎng)論里(也就是在乎坦空間、沒(méi)有重力的狀況)。幸運(yùn)的是，理論物理學(xué)家在預(yù)測(cè)不牽涉重力的粒子物理現(xiàn)象時(shí)，粒子的行為只取決于狀態(tài)間的能量差，因此量子真空能量的值并沒(méi)有任何影響；我們可以使用稱為“重整化”的一種謹(jǐn)慎的減法技巧，以極高的精確度來(lái)計(jì)算能量差。

然而，當(dāng)必須考慮重力時(shí)，真空能量就變得重要了。無(wú)限大的能量密度會(huì)產(chǎn)生極大的時(shí)空曲率，也就是說(shuō)，

鏈接

2004年7月21日，在愛(ài)爾蘭都柏林舉行的“第17屆國(guó)際廣義相對(duì)論和萬(wàn)有引力大會(huì)”上。英國(guó)傳奇科學(xué)家斯蒂芬·霍金教授宣布了他對(duì)宇宙黑洞的最新研究結(jié)果：黑洞并非如他和其他大多數(shù)物理學(xué)家以前認(rèn)為的那樣，對(duì)其周遭的一切“完全吞食”，事實(shí)上被吸入黑洞深處的物質(zhì)的某些信息實(shí)際上可能會(huì)在某個(gè)時(shí)候被釋放出來(lái)。

宇宙學(xué)家相信，太空中有許多類(lèi)型的黑洞，從質(zhì)量相當(dāng)于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超級(jí)黑洞。不一而足。科學(xué)家過(guò)去認(rèn)為，從巨大的星體到星際塵埃等。一旦掉進(jìn)去，就再不能逃出，就連光也不能“幸免于難”。而霍金教授關(guān)于黑洞的最新研究有可能打破這一結(jié)論。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，他發(fā)現(xiàn)，一些被黑洞吞沒(méi)的物質(zhì)隨著時(shí)間的推移，慢慢地從黑洞中“流淌”出來(lái)。

霍金關(guān)于黑洞的這一新理論解決了關(guān)于黑洞信息的一個(gè)似是而非的觀點(diǎn)，他的劍橋大學(xué)的同行都為此興奮不已。過(guò)去，黑洞一直被認(rèn)為是一種純粹的破壞力量。而現(xiàn)在的最新研究表明，黑洞在星系形成過(guò)程中可能扮演了重要角色。

1976年，霍金稱自己通過(guò)計(jì)算得出結(jié)論，他認(rèn)為黑洞在形成過(guò)程中，其質(zhì)量減少的同時(shí)還不斷在以能量的形式向外界發(fā)出輻射。這就是著名的“霍金輻射”理論。但是，理論中提到的黑洞輻射中并不包括黑洞內(nèi)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，其中的所有信息就都隨之消失了。這便是所謂的“黑洞悖論”。

這種說(shuō)法與量子力學(xué)的相關(guān)理論出現(xiàn)相互矛盾之處。因?yàn)楝F(xiàn)代量子物理學(xué)認(rèn)定這種物質(zhì)信息是永遠(yuǎn)不會(huì)完全消失的。如今，霍金終于給了這個(gè)當(dāng)年自相矛盾觀點(diǎn)一個(gè)更具有說(shuō)服力的答案。霍金稱，黑洞從來(lái)都不會(huì)完全關(guān)閉自身，它們?cè)谝欢温L(zhǎng)的時(shí)間里逐步向外界輻射出越來(lái)越多的熱量，隨后黑洞將最終開(kāi)放自己并釋放出其中包含的物質(zhì)信息。

即使是空間都能蘊(yùn)藏極強(qiáng)大的重力，這與我們實(shí)際觀測(cè)到的宇宙完全不符；過(guò)去10年來(lái)的天文觀測(cè)指出，零點(diǎn)能量對(duì)宇宙總能量密度的貢獻(xiàn)非常微小。半古典重力論并沒(méi)有嘗試去解決這個(gè)問(wèn)題，但不論解決的方案為何，我們通常假設(shè)在平坦時(shí)空中，零點(diǎn)能量對(duì)能量密度的貢獻(xiàn)一定會(huì)被抵消掉。這項(xiàng)假設(shè)與半古典真空一致：在每個(gè)地方的能量密度都是零，廣義相對(duì)論因而預(yù)測(cè)出平坦的時(shí)空。

如果有某些物質(zhì)出現(xiàn)，時(shí)空彎曲了，那必然改變量子場(chǎng)的零點(diǎn)能量密度，零點(diǎn)能量因而不再被精準(zhǔn)抵消。較之于電荷會(huì)將介質(zhì)極化的效應(yīng)，我們說(shuō)這多出來(lái)的能量是來(lái)自真空極化。

我們已利用質(zhì)量與能量密度來(lái)描述半古典重力論的這些特性，但在廣義相對(duì)論中，能夠產(chǎn)生空間曲率的，并不只有這些東西，凡是重力物質(zhì)所產(chǎn)生的動(dòng)量密度、壓力和應(yīng)力，都會(huì)影響空間的曲率。在物理的研究上，有一項(xiàng)稱為“應(yīng)力能量張量”

(sET)的研究，可用來(lái)描述所有這些產(chǎn)生曲率的量。半古典重力論假設(shè)在平坦時(shí)空里，量子場(chǎng)的零點(diǎn)對(duì)sET的貢獻(xiàn)剛好被完全抵消，在sET上應(yīng)用這種相減法得到的結(jié)果，就稱為“重整的應(yīng)力能量張量”

(RSET)。

在彎曲空間里運(yùn)算時(shí)，這套減法程序成功消掉了sET發(fā)散的部分，但留下了一個(gè)有限而不為零的RsET值。最終的結(jié)果是以下的循環(huán)：通過(guò)愛(ài)因斯坦方程式，古典物質(zhì)將時(shí)空弄彎的程度，取決于該物質(zhì)的古典sET：這個(gè)曲率使量子真空獲得一個(gè)有限但不為零的RSET；這個(gè)真空的RsET成為額外的重力源，修改了曲率；新的曲率再進(jìn)一步產(chǎn)生一個(gè)不同的RsET，如此循環(huán)不絕。

(陳妮娜 插畫(huà))