文/Rebecca+Jacobson+譯/宋麗麗

2014年1月，著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金提出了一個(gè)重磅理論，那就是“黑洞并不存在”。這一言論來(lái)自霍金最新的論文，包含于一個(gè)關(guān)于黑洞的原理和著名的“事件視界”的論點(diǎn)之中?！笆录暯纭笔呛诙醋钔鈬膮^(qū)域，進(jìn)入“事件視界”的所有物質(zhì)，包括光，都無(wú)法逃出。

加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校凱維里理論物理研究所的科學(xué)家約瑟夫·波欽斯基（Joseph Polchinski）解釋說(shuō)，更準(zhǔn)確地講，霍金并不是說(shuō)黑洞不存在，而是要解釋一個(gè)長(zhǎng)期困擾理論物理學(xué)界的難題。天文學(xué)家已經(jīng)觀察黑洞幾十年了。如果黑洞違反了兩大物理學(xué)的基本定律——愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和量子力學(xué)，又如何讓我們相信黑洞是存在的？

首先，我們來(lái)做個(gè)物理學(xué)基本知識(shí)的回顧。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論首先構(gòu)想出黑洞作為天體的存在。黑洞有著非常強(qiáng)大的引力場(chǎng)，以至于任何物體，包括氣體、星塵、恒星、行星、整個(gè)星系，甚至光線，在到達(dá)“事件視界”后，都會(huì)落到黑洞里并被永遠(yuǎn)困在里邊，最終被壓碎，無(wú)法從中逃逸。

但是隨著20世紀(jì)中期量子力學(xué)的出現(xiàn)，一些人相信黑洞會(huì)保留被吞噬物體的痕跡，也就是說(shuō)，被困在黑洞里的一些由物質(zhì)和粒子組成的信息可以在某些角落得以保存。波欽斯基解釋道，根據(jù)量子力學(xué)，黑洞可以把一本書(shū)壓成碎片，但只要這些碎片還存在，就有可能重新恢復(fù)這本書(shū)。

但20世紀(jì)70年代，霍金發(fā)表了一篇關(guān)于黑洞的論文，顛覆了這一切?；艚鹫J(rèn)為，黑洞實(shí)際上在失去質(zhì)量，輻射出能量并最終蒸發(fā)。如果黑洞會(huì)蒸發(fā)，那么它會(huì)帶走所有被它吞噬的物質(zhì)。這樣一來(lái)，信息就不會(huì)被保存下來(lái)，而是會(huì)消失。這一顛覆，讓科學(xué)突然之間沒(méi)道理了。物理學(xué)由此面臨一個(gè)巨大的困境，就是被黑洞吞噬的物體最終去哪里了。這一問(wèn)題引發(fā)了著名的“黑洞信息悖論”。

“這一悖論還沒(méi)被完全解決。”美國(guó)新澤西州的普林斯頓高等研究院的胡安·馬爾達(dá)西納（Juan Maldacena）說(shuō)道，“對(duì)于如何解決它，有各種不同的想法，但沒(méi)有一種想法得到了這一領(lǐng)域的其他人的認(rèn)同。”其中就包括霍金最新的關(guān)于黑洞的看法。這一想法重新定義了“事件視界”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，霍金似乎是在用一個(gè)更溫和的“視邊界”的概念來(lái)取代“事件視界”。在“視邊界”里，物質(zhì)和能量會(huì)被暫時(shí)性地扣留，但最終會(huì)被釋放出去。如果這是真的，那將會(huì)改變我們對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)。

霍金在他的論文中寫(xiě)道：“‘事件視界的缺失意味著黑洞不存在，這一意義上的黑洞指的是連光線都無(wú)法逃離的物理環(huán)境?！?/p>

波欽斯基認(rèn)為，根據(jù)霍金的想法，黑洞確實(shí)可以困住信息很長(zhǎng)一段時(shí)間，但這些信息最終會(huì)逃離，而不是被吞噬?；艚鸬倪@一說(shuō)法并未得到證實(shí)?！巴艘徊絹?lái)說(shuō)，我們現(xiàn)在確實(shí)面臨著量子力學(xué)和愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論兩大物理定律的沖突，而我們有充足的理由去相信這兩大理論的真實(shí)性。但如果你把兩者結(jié)合，會(huì)發(fā)現(xiàn)我們之前關(guān)于黑洞信息丟失的預(yù)測(cè)是一個(gè)錯(cuò)誤?！辈J斯基說(shuō)道。

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，在過(guò)去的40年里，物理學(xué)家提出了多種解決方案，促使人們?nèi)ブ匦滤伎己诙磧?nèi)發(fā)生的一切。比如，1992年李?yuàn)W納特·蘇士侃（Leonard Susskind）、拉若斯·拉爾索休斯（LarusThorlacius）以及約翰·烏格羅姆（John Uglom）提出了“黑洞互補(bǔ)原理”，之后又有了復(fù)雜的黑洞“火墻悖論”。2012年，波欽斯基和他的同事們發(fā)現(xiàn)了“事件視界”的一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)粒子進(jìn)入“事件視界”后，會(huì)被黑洞引力所撕裂。而研究表明，這些原子分解時(shí)會(huì)釋放出能量，從而形成一個(gè)圍繞著黑洞中心的“火墻”，也就是說(shuō)，“事件視界”是一個(gè)高度活躍的區(qū)域。但這一觀點(diǎn)卻與愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論相沖突，因?yàn)閺V義相對(duì)論認(rèn)為“事件視界”里沒(méi)有什么反應(yīng)發(fā)生。這就是著名的“火墻悖論”。

這也是霍金在最新發(fā)表的論文里建議物理學(xué)家重新思考“事件視界”的原因?；艚鹪谧钚碌恼撐睦锉砻?，并不存在一個(gè)被損耗的“事件視界”，“視邊界”才是黑洞的真正邊界。

“如果你覺(jué)得困惑，那么你并不孤獨(dú)。”馬特·斯特拉斯（Matt Strassler）說(shuō)道。他是羅格斯大學(xué)的理論物理學(xué)家，也是一位博客作家。整個(gè)理論物理學(xué)界仍然致力解決這些問(wèn)題，而霍金的這一想法只是十幾個(gè)提議里的一個(gè)。他說(shuō)：“這一領(lǐng)域有很多不和諧的聲音……這一問(wèn)題還沒(méi)人能實(shí)際去計(jì)算并解決。所以，這些都還只是想法、提議、粗略估計(jì)和猜想?！?/p>

“值得注意的是，霍金的提議沒(méi)有得到同行的評(píng)議，也沒(méi)有提出公式，所以我們沒(méi)有辦法去驗(yàn)證他的新想法。因此，他關(guān)于黑洞的論述還不能被當(dāng)做科學(xué)界的重大突破。”波欽斯基說(shuō)道。

霍金于2014年1月22日在arXiv 網(wǎng)站上發(fā)表了自己的論文，這是一個(gè)由康奈爾大學(xué)維護(hù)的學(xué)術(shù)論文網(wǎng)絡(luò)。

如何解決這些圍繞著黑洞的悖論呢？迄今為止，可以簡(jiǎn)單測(cè)試并解決這一新設(shè)想的數(shù)學(xué)公式還不存在。但這些是概念問(wèn)題，而不僅僅是數(shù)學(xué)問(wèn)題。斯特拉斯說(shuō)：“這不是那種可以依賴(lài)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的運(yùn)算，我們甚至沒(méi)辦法搞清楚究竟應(yīng)該問(wèn)什么問(wèn)題。這些計(jì)算會(huì)涉及非常微妙的結(jié)果，而計(jì)算機(jī)是無(wú)法捕捉到的?！?/p>

這個(gè)問(wèn)題讓這一領(lǐng)域的每一個(gè)人都感到困惑。但這一困惑也讓物理學(xué)家感到興奮，因?yàn)榻鉀Q悖論會(huì)讓這一領(lǐng)域得到進(jìn)步。 “這并不是個(gè)錯(cuò)誤，只是在某種程度上，我們關(guān)于量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的一些假設(shè)是有問(wèn)題的，而我們正試著去弄清楚這究竟是怎么回事。這是困惑，同時(shí)我們也希望可以由此走向進(jìn)步?！辈J斯基說(shuō)道。

背景知識(shí)

黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)言的，在宇宙空間中存在的一種密度相當(dāng)大的天體。黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡后，發(fā)生引力塌縮形成的。黑洞的密度是如此之大，它產(chǎn)生的引力場(chǎng)是如此之強(qiáng)，以至于任何物質(zhì)和輻射都無(wú)法逃逸，就連傳播速度最快的光（電磁波）也逃逸不出來(lái)。在黑洞的周?chē)且粋€(gè)無(wú)法偵測(cè)的“事件視界”，標(biāo)志著無(wú)法返回的臨界點(diǎn)。endprint