黑洞新说

■ 陈壮叔

它是宇宙中最可怕的天体，任何东西敢于拦它的路，都将被其吞食而尸骨不留。因此，掉入黑洞也就意味着彻底毁灭。不过最近几年来，这个看法似乎出现了裂缝，科学家在更深刻地探索宇宙时，发现黑洞并非是一个无底洞，甚至也不是一个洞。目前，激烈的争论涉及黑洞究竟包藏着什么。

“黑洞”一词出于著名物理学家惠勒。20世纪60年代，他在思考这样一个问题：当物质堆积在时空中的一点时，若其密度处于无限密实，那将会发生什么情况？例如，当一颗恒星燃尽其核燃料，此时其残存物质使自己塌缩，既快又猛。这些物质的引力将压倒其自身相斥的自然趋势，只要这颗恒星足够大，其结果就是塌缩成一个奇点，它的周围是一个所谓的视界，整个结构称为黑洞。为何要把它叫做黑洞呢？这是因为任何东西（包括光）一旦穿过视界这条界限，它就永无返回之日，视界内任何东西的最终命运，都是被挤入奇点。

到了1975年，黑洞的面貌有了改变。剑桥大学的物理学家霍金提出了“黑洞不黑”的著名论断，一鸣惊人，也由此被誉为爱因斯坦第二。他指出，黑洞将缓慢而不可抗拒地蒸发，人们称之为霍金辐射。按量子论，在成对的虚粒子中，粒子被吸入黑洞，而反粒子则携带以霍金辐射为形式的正能量逃逸。随着时间的流逝，黑洞最终将完全蒸发入空间。

自从霍金辐射这个概念提出之后，物理学界一直对落入（黑洞） 物质的信息问题争论不休。在相对论看来，物质的有关信息落入黑洞后将消失；而按照量子论，它们最终将逃逸。霍金在早期曾声称，霍金辐射的随遇性意味着能量（也即物质） 将逃逸，而信息不能，于是就出现了“信息佯谬”的问题。但在2004年，霍金改变了自己的看法。他的反复不是偶然的，正是人们重新思考黑洞规律这一思潮的一部分。

这一重新思考来自物理学的进展，具体地说，来自弦论。科学界长期以来企图把广义相对论（这是一个描述大尺度空间的理论） 和量子论（它所描述的是微观世界）统一起来，而弦论被认为是能够把上述两种理论结合起来的最好的理论，它已有20年的历史。弦论断言，时空以及其中的万物，皆由振动着的弦组成，它非常微小，且有一种弦带着引力。

20世纪90年代中期，科学家斯特罗明格和伐法首次把弦论应用于黑洞，着手研究信息佯谬。按照弦论，黑洞内部又是什么样呢？他们发现，弦和弦论中的其他东西可能建立起一个高密度的小结构，这些结构运行起来就像黑洞，它们的引力拉力可以阻止光从中逃出。他们还计算了在这些黑洞中弦有多少种排列的状态，结果数目大得惊人。看到这里也许有人要问，弦具有多少种排列状态？跟黑洞有何关系？

先让我们回顾一下。

20世纪70年代，霍金等物理学家利用量子论计算了一个黑洞的熵。一个客体的熵，大致上是它所含信息量的量度，也就是说，熵测量了组成一个客体的单元可以有多少种不同状态的排列。现在我们可以看到，斯特罗明格跟早年霍金计算的对象，根本就是一回事。更令人兴奋的是，弦的不同状态排列数，跟霍金等对熵的计算相吻合。这使人们相信，弦构成黑洞的有效性。

但上述斯特罗明格的计算，并不告诉人们弦是如何排列的。2004年，物理学家马图尔和他的同事们，着手研究了黑洞内弦的位形。他们说，弦总是相互连接，形成一个大而松软的弦，它要比奇点大得多。马图尔小组计算了弦黑洞的总体物理面貌，按照新的认为，他们把黑洞称为“毛球”或“弦星”。让马图尔吃惊的是，他们发现，这种由大弦构成的黑洞与传统理论中的视界一样大。马图尔说：“弦正在改变我们关于黑洞内部的图景，它将真正意味着，这幅中心有一个黑点的圆洞的图景是错误的。”

在马图尔的毛球模型中，虽如上述也有一个视界，但其性质大不一样。在传统看法中，视界是一个很明确的、具有极限意义的界限，任何东西进入这一界限，最终必在黑洞的奇点上被粉碎。而在毛球模型中，视界是一个由弦组成的泡沫状的东西，而不是一个明确的边界。

那么在毛球中，信息的境遇又会怎样？首先，毛球中没有奇点，球内弦物质的各种途径到达其视界，这意味着信息能藏在弦中，并“打印”在外出的霍金辐射上。

现在可拿一个例子来做比较。试想，将奶油放入一杯黑咖啡，然后把咖啡和奶油滴入老式黑洞，它们将奔向奇点并消失，你将永远看不到二者混合的结果；若把奶油和咖啡滴入毛球，那么有关二者混合的信息将编码在弦的振动上，外射的霍金辐射将携带着每个奶油和咖啡粒子状态的详细信息。故马图尔说：“在这里，没有信息问题。”

不过，至今马图尔的毛球思想还是相当初步的。他还不能确定，他的模型如何适用到大型黑洞上，也不了解黑洞随着时间是如何演化的？

最近，霍罗维兹和马尔达什纳也提出了信息能带出黑洞的看法，但跟马图尔不同的是，他们相信黑洞中心确有奇点。他们说，信息可通过量子的远程传送机制而逃逸。远程传送概念认为，一个粒子的态，可在一瞬内传送到甚远程之外的另一粒子。故霍罗维兹等说，击中奇点物质的信息可通过霍金辐射而外逸。

但霍罗维兹等的思想要想正确，还得加上一个前提，那就是落入（黑洞）物质和外向的霍金辐射不能相互碰撞。否则，就将破坏远程传送过程。量子信息理论戈特斯曼和普雷斯基尔说，这种破坏是很容易发生的。不过后来又有理论物理学家认为，所有这些破坏实际上都将相互抵消，并声称在他的计算中，一个黑洞的极大部分信息可能永远保存着，而其他的一切最终都将逃逸。他还认为这一点适用于任何黑洞，不论是大到星系中心的超级黑洞，或小到一个粒子内的微型黑洞。

而戈特斯曼对远程传送的批评不肯放松，或者说更为致命。他指出，这种效应比光通信还要快，而这一点被相对论所禁忌；此外，远程传送机制还依赖于这样一个假设，即黑洞内每个单元物质的量子态必须都相同，在这样的条件下，量子论允许一个粒子态对另一粒子态加上一个瞬间效应，但这无法适用于通信。戈特斯曼得出结论说，远程传送机制不能很好运作。实际上他怀疑，如果信息佯谬的看法是错误的，可是我们无法知道它错在何处。

这个问题也困绕着量子引力理论家雅各布森。他仍然相信，落入黑洞的信息对于黑洞的外部世界而言，是永远消失了。他认为远程传送机制尤其不可信，他说：“打算把信息外送，这是孤注一掷的思想。”其实连霍罗维兹等人自己，也不敢确信那是行得通的。他说：“我们提出的只是一种可能性，这在弦论上并无很好的基础。”雅各布森相当坚持自己的观点，他认为黑洞外部和内部之间的联系在弦论中十分复杂，人们也许只是简单地按照他们的需要假定了他们想要的结论。而且在弦论中，信息这个概念十分微妙，迄今还没有很好的定义。

信息消失是一个关键问题，这也反映出，我们对黑洞的认识太粗浅。

信息是否能从黑洞中逃逸，或者被破坏，至今仍是一个热门的争论课题。现在看来还有第三种可能性，这基于所谓的环量子引力论，这是一个对弦论具有挑战性的理论。该理论的领头人斯莫林说，时空由比弦还要小的环所组成，环又连接起来，形成一个带有结和分枝的网，称为自旋网络。这个模型的优点是：时空本身可从这些网络中涌出，而不必像弦论中那样假设。

还有一位引力问题理论家应用自旋网络创制了一个黑洞模型。他发现，描述时空的方程式适用于一个有序的途径，即使在奇点上也然。这跟一般的黑洞模型大不相同，在那些模型中，当时空塌缩时物理方程即被破坏。因此，这一概念意味着到达奇点的信息可能仍保存着，并被编码在自旋网络中。在这一概念提出之前人们一直认为，被黑洞捕去的信息不可能随着霍金辐射外逸。而这一概念认为，这些保存着的信息可以等待足够长的时间，当黑洞蒸发后它们将重新加入到宇宙的其他部分。

科学家大都认为，今后不论什么理论取代相对论，就黑洞而言，一个最大的可能是它不会像我们一直以来所想象的那样富有戏剧性。说到底，谁会感到一个弦球神秘莫测呢？