霍金新理論震驚國際物理學界：黑洞或許并不存在

在今天的物理學界，黑洞理論似乎已經(jīng)成為被廣泛接受的主流。但著名理論物理學家、“黑洞理論大師”、英國劍橋大學應用數(shù)學與理論物理學系終身教授斯蒂芬·霍金日前卻修正了自己的黑洞理論。

美國宇航局錢德拉X射線天文臺觀測到在銀河系的中心有一個巨大的黑洞，取名人馬座A。在過去的幾年里，通過間歇性觀測，錢德拉曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)來自人馬座A的X射線光斑。一項新的研究表明，錢德拉X射線捕獲到的光斑可能是掉入銀河系巨大黑洞的小行星。如果上面的設想得到證實的話，將意味著黑洞周圍存在著百萬億的小行星和彗星。

黑洞，無法看到的神秘天體

在現(xiàn)代廣義相對論中，黑洞是宇宙空間內存在的一種密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小的奇異天體。它是由質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生自身引力坍縮而產生的。由于它類似熱力學上完全不反射光線的黑體，被著名的美國理論物理學家約翰·惠勒稱之為“黑洞”，并沿用至今。

與別的天體相比，黑洞十分特殊。它的質量極其巨大，而體積卻十分微小。它可以產生的巨大的引力，任何物質一旦進入到它的引力臨界點（即黑洞的邊界，也叫黑洞視界），便再無法逃脫，就連傳播速度最快的光也逃逸不出。因此，人們無法直接觀察到黑洞，科學家也只能對其內部結構提出各種理論猜想。

科學家們認為，黑洞把自己隱藏起來的“武器”是時空彎曲。根據(jù)廣義相對論，時空會在引力場作用下發(fā)生彎曲。這時候，光雖然仍然沿著任意兩點間的最短光程傳播，但相對而言，它已經(jīng)彎曲。在經(jīng)過大密度的天體時，時空會彎曲，光也就偏離了原來的方向。由于黑洞的存在，被它擋著的恒星發(fā)出的光，有一部分會落入黑洞中而消失，但另一部分光線則會通過彎曲的時空，繞過黑洞而到達地球——也就是說，我們只能觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的“隱身術”。

更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達地球，它朝其他方向發(fā)射的光也可能被附近黑洞的強引力場彎曲而能到達地球。這樣，我們就不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時看到它的“側面”，甚至“后背”，這就是宇宙中的“引力透鏡效應”。

量子力學讓黑洞的存在變得“可疑”

霍金是現(xiàn)代黑洞理論的創(chuàng)立者之一，也是現(xiàn)代最著名的理論物理學家。1974年，他考查了黑洞附近的量子效應，發(fā)現(xiàn)黑洞會像天體一樣發(fā)出輻射，該輻射被命名為“霍金輻射”。“霍金輻射”的溫度和自己的質量成反比——這樣，黑洞就會因為輻射而慢慢變小，而溫度卻越變越高，最后以爆炸告終。

1976年，霍金提出了著名的“黑洞信息悖論”，即黑洞輻射中并不包括黑洞內部物質的任何信息，一旦這個黑洞濃縮并蒸發(fā)消失后，黑洞內部的信息也就不知去向。在《時間簡史——從大爆炸到黑洞》、《黑洞、嬰兒宇宙及其他》和《果殼中的宇宙》中，霍金都曾詳細論述了黑洞。

然而量子物理學的發(fā)展，讓黑洞的存在變得“可疑”。現(xiàn)代量子物理學認定物質信息是永遠不會完全消失的，這就與霍金提出的黑洞理論存在相悖之處。

其實，霍金也一直在思考黑洞是否存在。他在《時間簡史》中曾寫到，他曾擔心黑洞可能只是理論上的概念，而現(xiàn)實中根本不存在。為了解決這個問題，霍金曾試圖以各種推測來解釋其這一自相矛盾的觀點。他曾表示，黑洞中的量子運動是一種特殊情況；由于黑洞中的引力非常強烈，量子力學在此時已經(jīng)不再適用了。但這種說法并沒有讓科學界眾多持懷疑態(tài)度學者信服。

2004年，霍金推翻了自己的論述：在他提交于“第17屆國際廣義相對論和萬有引力大會”的論文中，他坦誠“黑洞信息悖論”是錯誤的，黑洞同樣遵守宇宙普遍規(guī)律，是信息守恒的。此外，霍金還證明了黑洞的面積定理，即隨著時間的增加，黑洞的面積不減。

在今年1月22日，72歲的霍金再次震驚了國際物理學界。他在當天提交給美國康奈爾大學的一篇論文中，提出了一個新的關于黑洞視界的解釋，并嘗試解決“黑洞信息悖論”。這篇尚未通過同行評議的論文有個生澀的題目：《黑洞的信息保存與氣象預報》（Information Preservation and Weather Forecasting For Black Holes）。在這篇論文中，霍金指出由于找不到黑洞的確切視界，因此經(jīng)典理論上的黑洞是不存在的。

霍金說，物質和能量在被黑洞困住一段時間后，又會被重新釋放到宇宙中。他在論文中承認自己最初有關黑洞視界的認識是有缺陷的——光線其實是可以穿越視界的。當光線逃離黑洞的核心“奇點”時，它的運動就像人在跑步機上奔跑一樣，慢慢地通過向外輻射而收縮。這與量子力學理論表明能量和信息是可以從黑洞中逃離出來的有了共通之處。

在這篇最新論文中，霍金既沒有放棄相對論，也沒有放棄量子力學。他提出，黑洞附近的量子效應使得時空漲落極其猛烈，因此不可能存在一條絕對清晰的分界線，也就不存在一落進去就再也逃不出來的所謂“事件視界”。取而代之的是，霍金提出了一個被稱為“表面視界”的全新概念。在這個視界的表面，企圖逃離黑洞核心奇點的光線，將被懸浮。信息只是暫時被囚禁在其中，終有一天，隨著“表面視界”的消失，被囚禁的信息會以另一種幾乎無法辨認的方式被釋放出來。假如霍金的這一最新理論未來被證明是正確的，那么原則上來說，一切物質最終都可以逃離黑洞，于是嚴格的傳統(tǒng)意義上的黑洞也就不復存在了。不過，霍金在論文中并沒有具體說明“表面視界”會怎樣消失。

霍金的黑洞賭局

從支持到否定，這并不是一個簡單的過程。或許我們可以從霍金輸?shù)舻哪侨龍鲋膶W術賭局中，看到霍金轉變的端倪。

第一場賭局，他堅信黑洞是存在的。1975年，他與美國理論物理學家、加州理工學院教授基普·索恩開賭：黑洞是否存在。兩個人賭的是當時一個最有可能疑似為黑洞的天體——天鵝座X-1。霍金曾在《時間簡史》說：“當我們1975年打賭時，我們80%肯定天鵝座X-1是黑洞，現(xiàn)在我會說有95%肯定，但這場賭局仍未有結果。”但不久以后——1990年，霍金就很“傷心”地認輸了。

第二場賭局，霍金和索恩站在了同一陣線。1991年，霍金和索恩與美國理論物理學家、加州理工學院教授約翰·普雷斯基對賭。當時的命題是，“裸奇點”是否存在。“奇點”，又稱“奇異點”，即時空具有無限曲率的一點，時空在該處開始、在該處完結。理論上說，奇點應該被黑洞圍繞，但是否存在沒被黑洞包圍的“裸奇點”呢？霍金與索恩認為裸奇點并不存在，而普雷斯基卻認為是存在的。雙方約定，誰輸了就要向對方送上一件寫著服輸字眼的T恤衫。

這場賭局，霍金也輸了。后來的研究證明黑洞經(jīng)過“霍金蒸發(fā)”之后可能保留一個裸奇點——1997年美國德克薩斯大學的科學家利用超級計算機證明了黑洞坍塌的時候，在非常特別的條件下，存在裸奇點。這位大學理學家可愛的在文字上耍賴，他說，裸奇點是由于量子過程產生的，而不是賭約上描述的、由于廣義相對論形成的。但是，霍金修正了他的理論，指出裸奇點有可能存在。

輸了賭局的霍金立即要求與普雷斯基再賭一場。他和索恩指出，任何物質掉進黑洞后都將消失，黑洞中產生的輻射是全新制造的，與掉進黑洞中的物質無關。然而這一項命題違反了量子力學——也就是說，若命題正確，量子力學或要重寫。這一場，霍金又輸了。2004年，霍金在出席學術研討會時認輸，向對方賠上《完全棒球——終極棒球百科全書》。

黑洞或許并不存在——這可能是霍金最新的賭局。

對于這個理論，一些科學家表示認可，也有人持懷疑態(tài)度。加拿大阿爾伯塔大學的理論物理學家、黑洞專家唐·佩吉教授認為霍金的解釋很合乎情理。但加州大學圣塔巴巴拉分校卡夫立理論物理研究所的理論物理學家約瑟夫·波爾欽斯基教授則指出，根據(jù)愛因斯坦的重力理論，黑洞的邊界是存在的，只是它與宇宙其他部分的區(qū)別并不明顯。而霍金的前學生、加州大學伯克利分校的理論物理學家、物理學系教授拉爾夫·伯索也對此有所保留。

這一研究需要相當長的時間。霍金說，對于這種逃離過程的解釋，需要一個能夠將重力和其他基本力成功融合的理論。在過去近一百年間，還沒有人能夠提出這一理論。或許正如霍金對著名英國學術期刊《自然》雜志所說，問題的正確解釋仍然是一個謎。

責任編輯：張曉芳