黑洞之謎

黑洞是否真的存在？

黑洞這個(gè)詞大概現(xiàn)在的三歲小孩也聽到過，它的名氣實(shí)在是太響了。但是，能夠正確理解黑洞到底是什么的人其實(shí)并不多，對(duì)黑洞的各種誤解也是普遍存在的。我要用三節(jié)的篇幅給你講講黑洞之謎。

我們先從對(duì)黑洞最樸素的理解開始，一點(diǎn)一點(diǎn)走進(jìn)真實(shí)的黑洞。牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，解釋了為什么地球上的每一個(gè)人都覺得自己是頭朝上腳朝下，也解釋了月亮為什么不會(huì)掉到地面上。

我們每一個(gè)人都受到來自地球的吸引力，但這個(gè)吸引力其實(shí)并不是那么強(qiáng)大，我們只要雙腳一用力，就能跳起來，短暫地對(duì)抗地心引力。起跳的初速度越大，我們就能蹦得越高，在空中停留的時(shí)間也越長。當(dāng)年，牛頓就計(jì)算出來，如果我們起跳的速度能達(dá)到7.9千米/秒的話，那么，我們就永遠(yuǎn)也不會(huì)掉回地球了，我們會(huì)成為地球的一顆衛(wèi)星，繞著地球轉(zhuǎn)，就像月亮那樣。而這個(gè)速度被稱為“第一宇宙速度”，也叫“環(huán)繞速度”，就是要成為一顆環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星所需要的最小速度。理論上來說，任何星球都有屬于自己的環(huán)繞速度。

那這個(gè)7.9千米/秒的數(shù)值是怎么計(jì)算出來的呢？實(shí)際上，這個(gè)數(shù)值是根據(jù)牛頓的萬有引力定律公式推導(dǎo)出來的，它只跟兩樣?xùn)|西有關(guān)，那就是星球的質(zhì)量和體積，與我們自己本身有多重沒有關(guān)系。環(huán)繞速度與星球的質(zhì)量成正比，與體積成反比。太陽的質(zhì)量和體積都要比地球大得多，太陽的環(huán)繞速度是220千米/秒，當(dāng)然，這個(gè)速度是相對(duì)于太陽的速度，而不是相對(duì)于地球的速度。你看，這個(gè)數(shù)值就比地球的環(huán)繞速度的數(shù)值大了很多。這些知識(shí)，人類在牛頓時(shí)代就已經(jīng)搞得清清楚楚了。

200多年前，有一位叫拉普拉斯的天體物理學(xué)家，有一天他突發(fā)奇想，假如有一個(gè)天體的環(huán)繞速度超過了光速，那么，豈不是連光都無法從這個(gè)天體上跑出來了嗎？那這個(gè)天體豈不是變成全黑的了嗎？他還動(dòng)手大致算了算，太陽的半徑如果縮小到只有3千米，這意味著體積要縮小萬萬億倍，就會(huì)成為這樣一顆不發(fā)光的恒星。但拉普拉斯只是隨便想了想，并沒有深究，他認(rèn)為宇宙中不會(huì)有這樣的恒星存在，只是一種純粹的數(shù)學(xué)計(jì)算罷了。后來，他又知道了光是一種波，而不是由一個(gè)個(gè)有質(zhì)量的微粒構(gòu)成的。所以，拉普拉斯就更覺得自己是胡思亂想了。

用拉普拉斯的這種想法來理解黑洞是一種最樸素的方法，也是大多數(shù)人理解到的層次，但是，這卻并不是對(duì)黑洞的正確理解，接下去，我要給你講一些高級(jí)貨。

拉普拉斯之后，光陰如梭，一晃100多年就過去了，時(shí)間走到了1915年，愛因斯坦大神把人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)推進(jìn)到了一個(gè)遠(yuǎn)超牛頓的境界。大神告訴人們，萬有引力只是時(shí)空彎曲的一種表現(xiàn)形式罷了，牛頓的萬有引力只是對(duì)時(shí)空彎曲本質(zhì)的一個(gè)近似公式，如果太陽的半徑真的縮小到了只有3千米，那萬有引力公式就不適用了。要真正把時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)、引力這些東西的相互關(guān)系給搞清楚，那就必須要用到一個(gè)超級(jí)燒腦的方程式，這就是愛因斯坦場方程，愛因斯坦的理論就是大名鼎鼎的相對(duì)論。

1915年，正值第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期，在德國和俄國交戰(zhàn)的前線，有一位年輕的德國炮兵上尉，他的名字叫史瓦西，他看到了愛因斯坦那個(gè)超級(jí)燒腦的方程式后，本能地就愛上了它，當(dāng)其他物理學(xué)家還在質(zhì)疑這個(gè)方程的時(shí)候，史瓦西已經(jīng)開始默默計(jì)算了。他花了很長的時(shí)間，終于找到了愛因斯坦場方程的一個(gè)特殊解。他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的情況，這個(gè)情況和拉普拉斯當(dāng)年發(fā)現(xiàn)的情況有著異曲同工之處。

史瓦西根據(jù)相對(duì)論計(jì)算出來，如果把太陽壓縮到半徑3千米，或者把地球壓縮到只有一個(gè)巧克力豆那么大，這時(shí)，在地球或者太陽中心點(diǎn)的時(shí)空就會(huì)被彎曲到無窮大，就好像時(shí)間和空間在這個(gè)地方打了個(gè)結(jié)。沒有任何東西能夠從它們的表面逃脫，連光也不例外，這倒不是因?yàn)楣馑傩∮诃h(huán)繞速度。其實(shí)，在這種情況下，已經(jīng)不存在環(huán)繞速度的概念了，因?yàn)闀r(shí)空在這個(gè)地方被彎曲成了一個(gè)深深的洞，光掉進(jìn)去了就再也找不到出口了，事實(shí)上，根本就不存在出口。后來，科學(xué)家們就把這樣一種奇怪的天體稱作“黑洞”。因此，黑洞實(shí)際上不是一個(gè)洞，在天文學(xué)上，它是一個(gè)有質(zhì)量的天體。

黑洞是我們這個(gè)宇宙中已知的最奇怪的一種天體。我們永遠(yuǎn)也無法看到黑洞里面的樣子，因?yàn)樵谀抢锩妫瑫r(shí)間和空間已經(jīng)打成了一個(gè)結(jié)，也可以說，時(shí)間和空間都不復(fù)存在了。黑洞就像宇宙中的一個(gè)吸塵器，不斷地吞食著一切靠近它的物質(zhì)，而且吞進(jìn)去了就別想再跑出來。

實(shí)際上，黑洞比你想象得還要怪異。所謂黑洞的大小，只是黑洞的中心到邊界的大小。在這個(gè)黑乎乎的區(qū)域中，其實(shí)是空無一物的。那你可能要感到很奇怪了，物質(zhì)都跑到哪里去了呢？其實(shí)，我剛才說把地球壓縮到一個(gè)巧克力豆那么大，真實(shí)的情況是，一旦地球被壓縮到巧克力豆那么大時(shí)，就沒有任何力量能夠阻止地球繼續(xù)收縮了，只留下一個(gè)黑洞洞的外殼。那么，地球上的物質(zhì)到底跑到哪里去了呢？我只知道它們會(huì)一直一直收縮下去，永遠(yuǎn)停不下來。你一定要讓我告訴你到底最后會(huì)怎么樣，我只能回答你，對(duì)不起，我想到一半就已經(jīng)昏迷不醒了，求你別問了。如果你去問科學(xué)家，他們可能會(huì)這樣回答你，這些物質(zhì)最后都會(huì)收縮成一個(gè)非常非常奇怪的點(diǎn)，我們就把這個(gè)點(diǎn)叫“奇點(diǎn)”，哎呀小伙子，等你長大了就明白了。好吧，其實(shí)我現(xiàn)在長這么大了，也還是想不明白。

正因?yàn)檫@樣，當(dāng)黑洞剛剛被提出來的時(shí)候，幾乎沒有人相信宇宙中真的會(huì)有這樣奇怪的天體。后來，著名的物理學(xué)家霍金和別人一起發(fā)現(xiàn)，似乎宇宙中出現(xiàn)這樣的一種奇怪天體是不可避免的。隨著相對(duì)論被一個(gè)又一個(gè)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，科學(xué)家們的信念更加堅(jiān)定了。但是，科學(xué)精神有一條非常重要的原則，那就是“非同尋常的主張，需要非同尋常的證據(jù)”。黑洞顯然是一個(gè)非同尋常的主張，那就必須要有非同尋常的證據(jù)。要最終證明黑洞的存在，必須要找到天文觀測(cè)的證據(jù)。于是，天文學(xué)家們開始了艱苦卓絕的努力。在幾十年以前，黑洞的真實(shí)性一直是天文學(xué)中最大的未解之謎。

直到20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家們才普遍猜測(cè)有一個(gè)過去一直搞不明白的奇怪天體很有可能就是黑洞。這個(gè)天體距離地球大約6000光年，放出非常強(qiáng)烈的X光。你可能會(huì)奇怪，不是說黑洞不發(fā)光嗎？怎么又會(huì)放出強(qiáng)烈的X光呢？這是因?yàn)槲镔|(zhì)在向黑洞的墜落過程中，會(huì)形成一個(gè)圍繞著黑洞的大旋渦，這被叫作吸積盤，因此X光不是黑洞發(fā)出來的，而是吸積盤中的氣體高速摩擦發(fā)出來的，這些X光可以看成是黑洞存在的間接證據(jù)，但并不是直接證據(jù)。

但即便是這樣的間接證據(jù)也是很罕見的。我能查到的公開資料顯示：截止到2007年，天文學(xué)家們努力了半個(gè)多世紀(jì)，也僅僅找到了17個(gè)黑洞候選者。第一份黑洞存在的直接證據(jù)一直要到2015年9月14日才出現(xiàn)。那一天，位于美國漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺(tái)引力波探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到了一個(gè)引力波信號(hào)。經(jīng)過8個(gè)月的分析論證后，在2016年6月16日清晨，美國科學(xué)家正式向全世界宣布：這個(gè)持續(xù)了不到2秒的引力波信號(hào)正是兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)，在茫茫宇宙中穿行了13億年，才抵達(dá)地球，恰好被人類捕捉到。

從黑洞存在之謎被提出到解決，恰好過去了100年，但人類對(duì)黑洞的研究其實(shí)才剛剛起步，因?yàn)椋茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，關(guān)于黑洞還有更多的未解之謎在等待著解答。

為了幫助大家更好地了解黑洞，我漢化了一個(gè)來自國外知名的關(guān)于宇宙的視頻，你只要在我的微信公眾號(hào)“科學(xué)有故事”中回復(fù)“黑洞一”，就能觀看了。

黑洞內(nèi)部什么情況？

關(guān)于黑洞，所有人最想知道的第一個(gè)謎題就是，黑洞的內(nèi)部到底有什么？當(dāng)然，這樣的問法可能并不是十分嚴(yán)謹(jǐn)，比這更好的問法是：如果我們能穿過黑洞的視界面，會(huì)遇到什么情況呢？

這個(gè)問題，一直是幾十年以來，天體物理學(xué)家們致力解決的重大謎題之一。

要把這個(gè)問題講清楚，我們要從黑洞的物理性質(zhì)說起。黑洞是目前人類已知的、宇宙中最簡單的天體，只需要用三個(gè)物理參數(shù)就可以描述一個(gè)黑洞，它們是：質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷。質(zhì)量決定了黑洞的大小，但一個(gè)黑洞質(zhì)量一定是大于零的。角動(dòng)量是任何旋轉(zhuǎn)的物體所具有的一種物理量，黑洞的角動(dòng)量可以是零，表示該黑洞不旋轉(zhuǎn)。電荷是衡量物體帶電多少的一個(gè)物理量，黑洞的電荷也可以為零，表示該黑洞不帶電。這樣一來，我們就可以根據(jù)是否帶電和是否旋轉(zhuǎn)來把黑洞分成四種，也就是：

第一種：不帶電不旋轉(zhuǎn)；第二種：帶電不旋轉(zhuǎn)；第三種：不帶電旋轉(zhuǎn)；第四種：又帶電又旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)代的理論物理學(xué)家們已經(jīng)可以用數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)模擬的方式來推測(cè)黑洞內(nèi)部大概是一種什么情況。

我們先來看第一種，也是最簡單的一種黑洞，不帶電不旋轉(zhuǎn)的黑洞，這種黑洞是一位叫史瓦西的物理學(xué)家最先提出來的，因此也被稱為史瓦西黑洞。這種黑洞實(shí)在是太簡單了，它只有唯一的一個(gè)參數(shù)，那就是質(zhì)量。

如果我是一個(gè)外部觀察者，看著你駕駛著飛船飛向史瓦西黑洞，我會(huì)看到你的動(dòng)作隨著接近黑洞，就會(huì)變得越來越慢，因?yàn)楹诙锤浇臅r(shí)間會(huì)變得越來越慢，我看到你的顏色也越來越紅，因?yàn)楣獾念l率被扭曲的時(shí)空越降越低，頻率越低，我們?nèi)搜劬蜁?huì)覺得顏色越紅。到了黑洞的視界面上，光的頻率已經(jīng)被降到無限低了，所以，這里也被叫作無限紅移面。請(qǐng)記住這個(gè)名詞，后面還要頻繁出現(xiàn)。對(duì)于史瓦西黑洞，視界面也就是無限紅移面。當(dāng)飛船接近黑洞的過程中，會(huì)被黑洞的潮汐力拉長，黑洞越小，潮汐力反而越大，飛船也會(huì)被拉得越長，超過一定的臨界值，飛船就會(huì)被扯碎。我們現(xiàn)在假設(shè)你飛向的是一個(gè)超大質(zhì)量的史瓦西黑洞，你不會(huì)被潮汐力扯碎，這時(shí)，如果鏡頭回到你自己身上，你又會(huì)看到什么呢？

實(shí)際上，你并不會(huì)有太多的感覺，時(shí)間和空間從你的角度來看，都依然是正常的，只是如果你回頭看宇宙背景的星光，會(huì)變得越來越藍(lán)。你會(huì)看到一個(gè)黑乎乎的黑洞視界面離你越來越近，穿過視界面的一剎那，你不會(huì)有任何感覺，除了飛船上的電子儀器會(huì)發(fā)現(xiàn)來自宇宙中的一切電磁波信號(hào)逐漸減弱，直至全部消失。飛過視界后的情況科學(xué)家們就有分歧了。一些量子物理學(xué)家認(rèn)為，飛過視界后，你馬上會(huì)遇到一堵火墻，你會(huì)被燒得連渣也不剩。但另一些廣義相對(duì)論學(xué)家認(rèn)為，你會(huì)繼續(xù)安然地朝著黑洞的中心，也就是奇點(diǎn)不可逆轉(zhuǎn)地飛去。注意，此時(shí)的不可逆轉(zhuǎn)不是因?yàn)槟愕娘w船無法掉頭往外飛，而是時(shí)間的箭頭指向了奇點(diǎn)，不論你做什么，時(shí)間都是不可逆轉(zhuǎn)的，它一定把你帶向奇點(diǎn)。而且，不論黑洞的質(zhì)量有多大，黑洞在你身上引起的潮汐力一定是隨著靠近奇點(diǎn)而增大的，你和你的飛船遲早要被徹底扯碎成一個(gè)個(gè)的基本粒子，最后都被奇點(diǎn)無情地吞入。到底你是會(huì)被火墻燒死還是被潮汐力扯碎呢？對(duì)不起，這是一個(gè)宇宙未解之迷。

說實(shí)話，史瓦西黑洞一點(diǎn)兒都不好玩。好在，宇宙中也是最不可能出現(xiàn)史瓦西黑洞的，因?yàn)橐霈F(xiàn)這種黑洞的條件極為苛刻，或許只有在宇宙大爆炸時(shí)才會(huì)誕生，又或許宇宙中壓根就不存在這種黑洞。另一種帶電不旋轉(zhuǎn)的黑洞就要有趣得多。這種黑洞也被叫作R-N黑洞，以兩位科學(xué)家姓名的首字母命名。

R-N黑洞與史瓦西黑洞不同，它有兩個(gè)視界面。當(dāng)你穿過最外層的視界后，就會(huì)進(jìn)入一個(gè)叫單向膜區(qū)的空間，這個(gè)空間的時(shí)間箭頭指向黑洞的中心奇點(diǎn)，所以它是單向的，你不可能再出去了。

在飛向奇點(diǎn)的過程中，你會(huì)撞到第二層視界面，也就是內(nèi)視界面。進(jìn)入內(nèi)視界面以后，這里邊是正常的時(shí)空，不是單向膜區(qū)，但是如果你想湊近奇點(diǎn)看看的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，一股斥力推著你，死活不讓你靠近，你想撞也撞不上去。過一會(huì)兒你發(fā)現(xiàn)事情不對(duì)勁了，時(shí)間似乎循環(huán)了。簡而言之，你走了一個(gè)“閉合類時(shí)線”。這是物理學(xué)上的一個(gè)術(shù)語，表示四維時(shí)空沿著時(shí)間方向完成了一個(gè)閉環(huán)，形成了一個(gè)時(shí)間圈環(huán)，奇怪的事情將不可避免地發(fā)生，你將永遠(yuǎn)陷入時(shí)間循環(huán)中。但是，時(shí)間循環(huán)會(huì)產(chǎn)生討厭的祖母悖論，會(huì)破壞很多科學(xué)家心目中神圣的因果律法則。所以，就有一些科學(xué)家堅(jiān)持，一定還有尚未發(fā)現(xiàn)的物理法則阻止這種情況的發(fā)生，R-N黑洞的內(nèi)部并不是我前面描述的那樣。那R-N黑洞的內(nèi)部到底是怎樣呢？不知道，這是未解之謎啊。

20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家克爾又計(jì)算出了一種與R-N黑洞剛好相反的黑洞類型，R-N黑洞是帶電不旋轉(zhuǎn)，克爾黑洞則是旋轉(zhuǎn)不帶電。不久之后，在克爾黑洞的基礎(chǔ)上，物理學(xué)家紐曼計(jì)算出了又帶電又旋轉(zhuǎn)的黑洞，這種黑洞就叫克爾-紐曼黑洞，這兩種黑洞大同小異，因此我們放在一塊兒來說。

第一，旋轉(zhuǎn)的黑洞是個(gè)扁球，不是圓的。因?yàn)橐恍D(zhuǎn)，赤道就鼓起來了，地球也是赤道比兩極略鼓。第二是無限紅移面跟外視界分離了。無限紅移面在赤道鼓出去一塊。第三是內(nèi)部有個(gè)沙漏狀的內(nèi)無限紅移面，里面是正常時(shí)空。內(nèi)外兩個(gè)視界面之間是單向膜區(qū)。這個(gè)沙漏的喉部有個(gè)奇環(huán)，而不是奇點(diǎn)。在無限紅移面和外視界面之間，有個(gè)非常神奇的能層。注意，這個(gè)能層實(shí)際還是黑洞的外部，并沒有越過黑洞的視界。

如果在能層中，飛船有一大塊零件掉了下來，掉進(jìn)了黑洞，這時(shí)候你會(huì)感到一股強(qiáng)大的動(dòng)力把你從能層里面給踢出來了。外部觀察者會(huì)看到飛船被彈出了能層，飛離了黑洞范圍。電影《星際穿越》中飛船逃離黑洞就是利用了這個(gè)原理，男主不幸地充當(dāng)了那個(gè)掉入黑洞的零件。

剛才這個(gè)過程，它的原理并不是牛頓第三定律，也就是作用和反作用力，扔出一塊零件，如果按照牛頓第三定律，產(chǎn)生的推力是極小的。這個(gè)原理最先是英國物理學(xué)家彭羅斯算出來的，叫“彭羅斯過程”。我們平常扔出一個(gè)球，這個(gè)球擁有的能量總是正的。但是在克爾-紐曼黑洞的能層里面，這個(gè)球的動(dòng)能居然是負(fù)的。但能量守恒定律不會(huì)變，所以一個(gè)物體，分裂成兩半，一半帶有負(fù)能量，另一半必定能量增加。飛船掉進(jìn)克爾-紐曼黑洞的能層會(huì)被彈出來，道理就是如此。

如果你沒有及時(shí)地扔出一個(gè)零件，那么你肯定會(huì)掉進(jìn)克爾-紐曼黑洞的視界里面。接下去發(fā)生的一切，就純屬猜想了。

穿過視界面，就進(jìn)入單向膜區(qū)。鉆黑洞，我們不是第一回了。單向膜區(qū)之前已經(jīng)解釋過，不被拉成面條就是萬幸，至于拉成蘭州風(fēng)格的還是意大利風(fēng)格的，要看黑洞內(nèi)部的穩(wěn)定性。穿過單向膜區(qū)，通過內(nèi)視界面、內(nèi)無限紅移面，就會(huì)來到奇環(huán)附近。這里面有一個(gè)正常的時(shí)空，人可以存活。科學(xué)家們猜想，奇環(huán)可以把你傳送到另一個(gè)宇宙中。這個(gè)宇宙可能是以斥力為特征的非常奇怪的一個(gè)宇宙。總之，這一切都還是宇宙未解之謎。

但有一點(diǎn)幾乎可以肯定，不管是哪種黑洞，進(jìn)去了就永遠(yuǎn)不可能回到同一個(gè)宇宙了。黑洞的謎題還沒完，咱們下節(jié)接著聊。

最后推薦大家觀看來自國外知名的講解宇宙謎題的視頻關(guān)于黑洞的一集，和上一節(jié)推薦的視頻是連著的，這一節(jié)你只需要在我的微信公眾號(hào)“科學(xué)有故事”中回復(fù)“黑洞二”，就可以觀看了。

黑洞蒸發(fā)和信息守恒

黑洞這個(gè)概念在被提出的很長一段時(shí)間中，科學(xué)家們都認(rèn)為黑洞就像是這個(gè)宇宙中的吸塵器，只進(jìn)不出，它會(huì)伴隨著宇宙一直存在下去。然而，英國物理學(xué)家霍金卻對(duì)這個(gè)觀念發(fā)起了挑戰(zhàn)。這是怎么一回事呢？

原來，那些專門研究微觀世界的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，我們過去認(rèn)為的真空其實(shí)并不是空無一物的。在真空中，總是會(huì)有一對(duì)一對(duì)的虛粒子不斷地涌現(xiàn)出來，它們一個(gè)帶有正能量，一個(gè)帶有負(fù)能量，在極短極短的時(shí)間內(nèi)，正負(fù)粒子又相互碰撞湮滅。我們打個(gè)比方，你在太空觀察地球的海洋，你會(huì)發(fā)現(xiàn)海洋就像是光滑的玻璃珠的表面，當(dāng)你下降到飛機(jī)航班的高度，你會(huì)看到微小的波紋。當(dāng)你下降到海平面上，你會(huì)看到滔天的巨浪。真空就像是海洋，測(cè)量越是精細(xì)，真空的變化就越是劇烈。所謂的真空，其實(shí)就是一鍋沸騰的虛粒子海洋，不斷翻滾著虛粒子的泡沫和浪花。

這個(gè)研究成果，給了霍金極大的啟發(fā)，有一天，他突然想到，假如真空是虛粒子的海洋的話，那么黑洞就不可能一直穩(wěn)定地存在了，黑洞有可能會(huì)像水滴一樣蒸發(fā)掉。霍金是怎么想的呢？

我之前說過黑洞那個(gè)黑乎乎的外殼叫作視界面，任何東西越過了視界面就別想再跑出來了。霍金是這樣想的，如果在黑洞的視界面上突然生成了一對(duì)粒子。本來它們會(huì)再次碰撞相互抵消。但是，事不湊巧，那個(gè)負(fù)能量粒子掉進(jìn)了黑洞視界面，正能量粒子在外邊。因此它們?cè)僖矡o法見面，再也無法相互抵消了。于是這兩個(gè)虛粒子就變成了真實(shí)的粒子。黑洞吃掉一個(gè)負(fù)能量粒子，自己的質(zhì)量也就減少了一分。正能量粒子看起來就好像是從視界面上被發(fā)射出來一樣。整體上看，就像是黑洞在不斷地放出輻射，在不斷地變小。霍金管這個(gè)過程叫作“黑洞蒸發(fā)”，這種輻射也被科學(xué)界稱為“霍金輻射”。

如果一個(gè)物體能放出輻射，那么就意味著它有溫度。霍金計(jì)算出黑洞的溫度和大小有關(guān)系。普通物體是溫度越高放熱越厲害，溫度下降越快，最終和外界達(dá)到熱平衡。比如，一杯熱茶，放在那里你不去管它，最后溫度總是會(huì)和周圍的環(huán)境保持一致。但是，黑洞卻很奇怪，它越是放出熱量，溫度反而會(huì)上升，因此黑洞是無論如何也不可能和外界達(dá)到熱平衡的。越是小的黑洞溫度反而越高，這也就意味著黑洞最終的命運(yùn)都是蒸發(fā)殆盡。

霍金的這個(gè)想法結(jié)合了相對(duì)論和量子力學(xué)，具有開創(chuàng)性，所以，霍金也因?yàn)檫@個(gè)成就邁入了頂尖物理學(xué)家的行列。

不過，霍金輻射到底是不是真的，到目前為止依然是一個(gè)宇宙未解之謎，因?yàn)槲覀內(nèi)祟悘膩頉]有觀測(cè)到這種輻射，原因在于這種輻射極其微弱，微弱到以人類目前的科技水平，根本不可能檢測(cè)到一個(gè)遙遠(yuǎn)黑洞發(fā)出的輻射。而黑洞的蒸發(fā)速度又極為緩慢，以人類現(xiàn)有的觀測(cè)技術(shù)，我們也不可能在有生之年檢測(cè)出一個(gè)黑洞的質(zhì)量在逐步縮小。這也是為什么霍金名氣那么大，卻沒有獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，原因還是在于我經(jīng)常說的那句話，非同尋常的主張就需要非同尋常的證據(jù)。霍金的理論雖然從數(shù)學(xué)上來說，極為大膽創(chuàng)新，可是還沒有證據(jù)。

霍金輻射還引出了另外一個(gè)有關(guān)黑洞的未解之謎，這被稱為黑洞信息悖論。所謂悖論，就是兩個(gè)觀點(diǎn)互相矛盾的意思。為了把這個(gè)問題給你講清楚，咱們要先來了解一下物理學(xué)家嘴里所說的信息是什么含義。

按照最簡單的一種定義，信息就是能減少事物的不確定性的性質(zhì)。我們來打個(gè)比方，對(duì)于一塊蛋糕，你可以舔一舔嘗嘗是甜的還是咸的，你可以掂一下重量，你還可以看到它的顏色，這些都是信息。信息越是豐富，不確定性也就越少。假如你把蛋糕扔進(jìn)黑洞，那么你就什么也無法知道了，不確定性幾乎達(dá)到最高。我們?nèi)说母泄儆邢蓿芏嘈畔[在我們面前我們也感知不到，一段文字被加密，盡管信息沒有少，我們照樣看不懂。但是，你從基本粒子的角度去看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)信息變來變?nèi)ィ倲?shù)其實(shí)并沒有少。因?yàn)椋徽撐镔|(zhì)變成什么樣的形態(tài)，都是基本粒子的排列組合。

基本粒子總是遵守一系列的守恒定律，比如能量守恒。能量不能被創(chuàng)造也不能被消滅，總是從一個(gè)狀態(tài)變成另一個(gè)狀態(tài)。因此，大多數(shù)物理學(xué)家就認(rèn)為，信息也是守恒的，一個(gè)量子所包含的信息是不能被復(fù)制的，也不能被消滅。不過，這里經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤解，物理學(xué)家們談?wù)摰男畔⑹睾悖瑴?zhǔn)確地說，我的理解是信息量守恒。如果把《時(shí)間的形狀》這本書給燒掉，那么，書上所表達(dá)出來的地球人能理解的那些內(nèi)容信息都消失了，但是，內(nèi)容是人的主觀賦予的，并不是一種客觀實(shí)在的物理性質(zhì)，書上的內(nèi)容雖然消失了，但是組成這本書的每一個(gè)基本粒子的所有物理性質(zhì)卻不會(huì)消失。因此，從基本粒子的角度來說，信息量是守恒的。

現(xiàn)在我們把一本書扔進(jìn)黑洞，這本書的信息量還守恒嗎？過去，科學(xué)家們認(rèn)為，還是守恒的，雖然我們搞不清黑洞內(nèi)部的情況，但信息還是應(yīng)該以某種形式存在的。現(xiàn)在好了，霍金先生搞出了一個(gè)霍金輻射，說黑洞最終會(huì)蒸發(fā)殆盡的。那這么一來，豈不是這本書的信息就永遠(yuǎn)消失了嗎？

于是，很多搞量子研究的科學(xué)家非常反對(duì)黑洞蒸發(fā)的理論，不光是因?yàn)樾畔⑹睾惚黄茐模氖牵绻畔⑹睾惚黄茐模€會(huì)破壞另外一個(gè)看上去更天經(jīng)地義的法則，那就是概率的總和是100%，你拋硬幣，正反面出現(xiàn)的概率加起來如果不是100%，這不是見鬼了嗎？

面對(duì)這樣的質(zhì)疑，霍金的態(tài)度也很強(qiáng)硬，他說，信息守恒不是金科玉律，誰說信息一定要守恒啊。為此，霍金還跟人打賭，可是過了7年，也就是到了2004年，霍金公開認(rèn)輸，他說自己搞錯(cuò)了，信息是守恒的。但是他說黑洞蒸發(fā)理論沒錯(cuò)，關(guān)鍵在于，以前我們認(rèn)為黑洞蒸發(fā)，所有的信息也跟著蒸發(fā)消失了，其實(shí)不是。其他物理學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，霍金輻射是可以把信息從黑洞里帶出來的。這樣一來，黑洞蒸發(fā)并不破壞信息守恒法則。

實(shí)際上，解決黑洞信息矛盾的辦法還有一些，有的科學(xué)家認(rèn)為，黑洞的表面就是一張全系膜，別看是二維的，掉進(jìn)去的東西包含的信息其實(shí)都記錄在了這張二維的膜上。信息沒有進(jìn)入黑洞，當(dāng)然就是守恒的。

也有人說，物質(zhì)掉進(jìn)黑洞之前會(huì)撞上一道火墻，會(huì)把物質(zhì)燒到渣都不剩。這樣信息就留在了黑洞之外。也有人說，黑洞附近的時(shí)空太特殊了。你要是掉進(jìn)黑洞的話，你會(huì)感覺穿透了視界面，但是遠(yuǎn)方的觀察者會(huì)覺得你被燒毀了。因?yàn)橛^察位置不同，看到的結(jié)果也是大相徑庭的。

霍金在晚年時(shí)，對(duì)很多理論都做了修正，他認(rèn)為過去的很多計(jì)算只是考慮了極端情況。所以在網(wǎng)絡(luò)上常常能見到諸如霍金被推翻、霍金認(rèn)錯(cuò)之類的標(biāo)題黨，其實(shí)他只是做了一部分修正。

總之，到現(xiàn)在為止，黑洞蒸發(fā)到底會(huì)不會(huì)破壞信息守恒，依然還是一個(gè)未解之謎，因?yàn)闆]有辦法做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

物理學(xué)史上各種反轉(zhuǎn)的案例并不少見，例如引力波就經(jīng)歷過從提出到被否定又被證實(shí)的曲折過程。黑洞蒸發(fā)是否打破信息守恒的問題，現(xiàn)在還很難下結(jié)論。但這不奇怪，科學(xué)就是這樣在不斷的質(zhì)疑和探索中一步一步向前邁進(jìn)的。

好了，講到這里，我們關(guān)于黑洞的話題，就全部結(jié)束了。關(guān)于黑洞蒸發(fā)原理的生動(dòng)展示，大家可以到“科學(xué)有故事”的微信公號(hào)中回復(fù)“黑洞三”進(jìn)行觀看。