黑洞裡面有什麼
黑洞裡面是什麼
石無魚/文
黑洞是充滿神秘感的天體。「知人知面不知心」，我們雖然對黑洞的外部表現已經十分了解，但對黑洞的「內心」卻知之甚少。
比方說我們知道黑洞這個怪物具有強大的引力，即使運動速度最快的物體——光——從它身邊經過，也會像餓人抽麵條一樣被吸進去。但是那麼多東西吸進去之後，它們的命運又如何？科學家們對此卻沒有統一答案。有的人說它們最後擠成了一個沒有體積、密度無窮大的幾何點（即奇點）；也有人說它們穿越時空，在另一個地方噴了出來；還有人說，這些物質在沒被擠成一個點之前，就發生了一場類似宇宙大爆炸式的爆炸，形成了一個新的宇宙，而我們說不定就生活在這樣一個宇宙之中……等等。
黑洞的「內心」真是太難測了！在天文學家的努力「偷窺」下，對於黑洞內部的情況，如今已經略知一二了。下面，就讓我們看看黑洞的內部世界可能是什麼面貌。
有立方體的黑洞嗎？
在談論黑洞內部的事情之前，首先讓我們來看看黑洞可能會有什麼樣的形狀。
我們知道，黑洞之所以為黑洞，就在於其表面附近極強的引力。當光從它身邊經過時，都「肉包子打狗——有去無回」，任憑我們使盡手段也無法得到一點反饋的信號，於是我們自然就說它是一個「黑」洞了。
但是，我們說黑洞具有強大的引力只是指它表面附近而言的。引力與距離的平方成反比，距離增大到原先的10倍，引力將減小到原先的100倍；我們知道銀河系中存在著很多黑洞，但它們對地球的影響微乎其微，就因地球距離它們太遙遠之故。
在離黑洞中心一定距離處，引力剛好強大到足以把光線都能吸進去，我們就稱這個距離為「事件視界」，簡稱「視界」。在視界之外，光還是可以逃脫黑洞魔掌的，逃出來的光可以被我們觀測到；但對於視界以內發生的事情，因為沒有任何信號可以逃得出這個界限，我們就兩眼抹黑，什麼也不知道了；哪怕有位科學家掉進黑洞並倖存了下來，把他的所見寫成一篇論文，他也沒法拿到黑洞外面的我們這個世界來發表。
我們所說的黑洞內外之分，就是對於這個視界而言的。視界把黑洞分成了內外，黑洞的形狀也就是它的視界的形狀。
還需要說明的一點是，黑洞強大的引力其實不在於它的質量，而在於它的體積。我們知道，引力和距離的平方成反比，天體的質量越集中，半徑越小，表面的引力也就越大。比方說，要想讓地球變成一個黑洞，須把它壓縮到半徑4毫米以下即可。事實上，任何質量的一團物質，只要壓縮到體積足夠小，都可以變成黑洞。
一團球形的物質，被壓縮到足夠小時，就變成了球形的黑洞，這是不難理解的。但一團立方體的物質，保持形狀不變，壓縮到足夠小，是否會變成立方體的黑洞呢？
科學家經過計算髮現，這種黑洞並不存在。當這塊立方體被壓縮到一定程度，它會向外發射強烈的引力波，把自己的邊邊角角修去，以便越來越接近球形（引力波所攜帶的能量是從這些邊邊角角上的物質轉化而來的）；當它變成黑洞時，已經是一個標準的球形了。
這就告訴我們，一團物質一旦變成黑洞，它就把有關自己前身的信息都抹去了，我們無從知道它是從阿貓還是阿狗變來的。此外，黑洞自身也是一個「信息粉碎機」，比方說，我們朝黑洞里扔進一隻老母雞，它一旦鑽進黑洞的視界，我們就兩眼抹黑，再也無法追蹤觀察它最後的命運了。假如有人硬說，你扔進去的是一隻鴨，除非你手上碰巧留著一根雞毛，否則也駁不倒他。沒有信號能越出黑洞的視界，這反過來也就是說，不論黑洞內部發生什麼，都不可能以任何方式影響外面我們身處的宇宙中來，而這一點也是廣義相對論所要求的。
讀到這裡，你可能要納悶了：既然這樣，那怎麼知道黑洞里有什麼呢？談論這種話題，我們豈不有點像談鬼那樣不著邊際嗎？的確，在此天文觀測已經毫無幫助，不過人類的聰明之處就在於他掌握著物理定律，可以在理論上解答實驗上無法回答的問題。
讓人頭疼的奇點
對於物理學家來說，迄今研究黑洞最強有力的工具就是愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論告訴我們，物質跟時空是分不開的，引力的本質是時空的彎曲等等，這是我們需要知道的一點準備知識。
「黑洞里有什麼？」最先來回答這個問題的是美國物理學家奧本海默。1939年，他利用廣義相對論對球狀恆星在自身引力作用下的坍縮做了一項計算，發現球狀恆星變成一團足以把光囚禁住的天體後，並不會到此罷休，而是會繼續無情地坍縮下去，直至在中心形成一個沒有體積、密度無窮大的奇點。假如一個宇航員腳朝奇點落下去，他的身體會漸漸拉得像堂吉訶德那樣又瘦又高，最後落入奇點時，他在頭腳方向已經被拉得無限長，而橫向則被壓得沒影了（假設他有無限的彈性）。最難以理解的是，宇航員雖然身高無窮大，卻又出不了黑洞視界——因為假如他變成一根肉棒子探出黑洞的視界，那就要對我們這個世界產生影響了，比方說把人嚇成神經病等等，這可是廣義相對論所不允許的——而我們知道，一個黑洞不管有多大，它的視界總還是有限的，怎容得下無限長肉棒呢。
在理論上，物理學家最頭疼的就是遇到無窮大，無窮大像一隻跳蚤，咬著他們的神經，一旦出現，他們就要把整個理論里里外外翻檢一遍，看看什麼地方錯了。現在，在奧本海默的計算中，不僅出現一個密度無窮大的奇點，這個奇點甚至還有更古怪的性質：任何掉進它的物體在縱向都會被拉成無窮長，而這個無窮長又不能超出黑洞有限尺寸的視界！這個結論夠荒謬了吧？不用說，所有人都認為他的計算肯定在什麼地方出了問題。
「魔鬼」奇點的出現不可避免
問題出在哪兒呢？蘇聯物理學家栗弗席茲認為，毛病可能出在奧本海默在計算中引入了太多理想化的假設：比如要求這團恆星物質必須是完全球狀的，密度必須絕對均勻，沒有旋轉，裡面的氣體沒有一絲擾動……等等，這些條件其實沒有一項在現實中能夠滿足。栗弗席茲經過複雜的計算後證明，奧本海默的奇點是不穩定的，只要上述條件中有一項不滿足（比方說你朝這團氣體吹口氣，讓它產生小小的擾動），奇點就不能形成，所以奧本海默的黑洞奇點只存在於想像中，不可能在真實的宇宙中存在。
事情到這一步似乎讓人可以鬆口氣了，但正所謂「你要是把魔鬼趕出門外，它就會從煙囪里鑽進來」。據回憶，那是1964年晚秋的一天，英國數學家彭羅斯在過馬路的時候，突然產生一個很美妙的思想，他頓時手舞足蹈起來。在此後的幾個星期，他把這個思想寫成了嚴格的數學證明。這個「美妙的思想」對物理學家可不「美妙」，它像一紙判決，嚴正地宣布了黑洞的最後的命運：只要按照廣義相對論，不論這個黑洞是以什麼形式變來的，每一個黑洞都必然會有一個奇點。要黑洞避開奇點，是不可能的！
彭羅斯的證明用到了數學上的一個分支——拓撲學，這門學科當時很少為物理學家所知。栗弗席茲聽到彭羅斯的證明，很是吃了一驚，長久不敢相信。但隨後的一些年，科學家們漸漸接受了彭羅斯的結論。栗弗席茲檢查自己以前所做的計算，也發現在奧本海默的模型中引進微小的擾動之後，奧本海默式的奇點（因為奇點也有好些類，除了「沒有體積、密度無窮大」這一共性外，理論家根據自己模型的需要還會賦予其他一些附加的特性）是不能形成了，卻形成了另一類奇點，真所謂「前門趕走了狼，後門又引來了虎」。於是，他向彭羅斯認輸了。
黑洞里是什麼？
那麼，關於奇點目前我們知道些什麼呢？首先，奇點是空間中這樣一個點，這個點沒有長度、面積、體積，總之沒有尺寸；其次，它的質量儘管是有限的，但密度卻無窮大，那裡的物質以什麼樣的形態存在，我們至今依然一無所知；最後還知道，在我們這個世界行之有效的物理規律一到奇點，就統統失效。
這個怪裡怪氣的奇點對於自負的物理學家來說，真是個不小的打擊，他們辛辛苦苦研究出來的物理定律竟然在這麼一個小小的點上載了跟頭！好在奇點都裹在黑洞的視界以內，即便那裡發生再稀奇古怪的事情，也影響不到我們這個世界，物理學家就算討厭它，但也還是可以做到「眼不見，心不驚」。
寫到這裡，讓我們先來總結一下，看看傳統的黑洞理論對「黑洞里是什麼？」這個問題一般是怎麼回答的吧。
假如黑洞還在吸積著物質，你不妨把自己想像成一個正往黑洞里掉的宇航員，並且有著一雙能洞察一切波長光波的眼睛（因為一般人的眼睛只能看到可見光波段的光波，即使黑洞周圍充滿著很多高能射線，他們也看不見）。物質在往黑洞里掉的時候，因為彼此摩擦，會產生上百萬度的高溫，溫度一高又會發出強烈的輻射，所以你將看到周圍一片光亮，——當然黑洞視界所在的區域還是一片漆黑的，畢竟那兒什麼光都出不來。好，現在你已經越過了黑洞的視界，就像但丁進了地獄的門，門上寫著「所有進來的人，把一切希望都拋在後面吧！」，因為你也休想再回去了。
假如你還活著，那麼會驚訝地發現，進了視界這道「門」之後，原先在遠處看起來黑咕隆咚的地方，竟然也是一片光亮。這是怎麼回事？
道理很簡單，因為那些跟你一塊越過視界的物質，在往奇點掉的過程中依然還在摩擦著發光。這些光雖然逃不出視界，但置身於視界裡面，你就可以看得到了。這些光在「嗖嗖」地往奇點飛去。至於奇點本身，你能看到的是那裡顯得特別明亮，因為四面八方的光都往那個點上跑，而所有的物質也被撕得粉碎，變得透明了，不妨礙你的視線。
要是黑洞已經把周圍的物質吸得一乾二淨，沉寂下來了呢？那當然，黑洞的里里外外，除了中心有一個奇點，就啥都沒有了。但奇點沒有體積，你也看不到它。這個時候，你要是成心想尋出一點物質的痕迹來，那麼除了虛空，說實話還真可以說空無一物。這時的黑洞，彷彿一位入定的老僧，吃飽喝足之後念叨道：「本來無一物，何處惹塵埃？」彷彿它從來沒有「惹過塵埃」，但一股把你往裡拽的強大引力就讓它露餡了。你恍然大悟，原來這個空無一物的地方，其實就是宇宙中最可怕的「怪獸」的棲身之地！
空間處處在冒泡
我們迄今都只限於在廣義相對論的框架內談論黑洞。但當物質在黑洞里不斷坍縮，越來越小，以至於接近體積為零的奇點時，我們事實上就進入了微觀領域。這時候廣義相對論還適不適用，我們可不知道，不過有一點是顯然的，那就是不能不考慮統治微觀世界的物理學規律——量子力學。
相對論和量子力學是20世紀物理學的兩大基石。但很遺憾的是，它們在很多觀念上是彼此矛盾的。隨便舉個例子，比如在相對論中，時間、空間是密不可分的，而在量子力學中，它們卻依然彼此獨立。好在廣義相對論的應用範圍一般說來是空間的大尺度結構，而量子力學主要應用於微觀世界，它們井水不犯河水，倒也相安無事。但一旦涉及黑洞的奇點，——這裡引力極其強，空間彎曲得很厲害，同時尺度又非常小——就不能不把兩者聯合起來考慮了。可我們至今還沒有能把廣義相對論和量子力學融合在一起的滿意理論呢。
假如考慮量子力學，我們對於黑洞奇點的理解會增加哪些新的認識呢？
首先，直接的一個結果是，奇點不可能無限小，也就是說，那種理想化的沒有體積大小的奇點並不存在。這是因為根據量子力學，空間並不是無限可分的，它有一個最小的尺度，即普朗克長度，大約是10
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米。黑洞奇點的直徑自然也不應該小於這個數值。所以，奇點的尺寸固然非常小，但還不完全是零。
其次，在那樣一個微乎其微的空間里，空間也不再像廣義相對論所描述的處處連續光滑的了，而是此起彼伏地冒著時空泡沫，物理學家稱之為「量子泡沫」。其實，量子泡沫不僅存在於黑洞奇點，也存在於宇宙中的任何一處，譬如說此刻在你的房間，在你的大腦里。任何一塊空間，只要你能把它不斷放大，放大到一定程度，你總會發現原先光滑、連續的空間不見了，見到的是沸騰的量子泡沫。這跟你用肉眼看一面鏡子是光滑的，但在高倍顯微鏡下，卻發現它充滿了坑坑窪窪是一個道理。這些量子泡沫什麼時候，在什麼地方，以什麼形狀冒出來，是完全無法預測的。我們只能估算它們出現的概率。
當然了，這只是我們在引入量子力學之後對奇點的初步認識，要徹底了解它的奇異性還有待於將來一個能把廣義相對論和量子力學統一起來的理論。
其實，一旦考慮量子，人們對黑洞本身的認識也發生了一場飛躍。比方說，以前我們總認為黑洞是個一毛不拔的「鐵公雞」，物質在那兒只進不出。但英國物理學霍金在計算中引入量子力學後卻發現，黑洞也能輻射粒子，也就是說，黑洞在蒸發！
這樣一來，黑洞在人們心目中也由原先的一毛不拔的「鐵公雞」形象，一變而為也會把自己的巨額財產稍稍打發掉一點的「吝嗇鬼」形象了，這多少給它增添了一點「人情味」。
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