計算機模擬的銀河系中心超大質量黑洞附近氣體云的運動，以及引力對它的影響。ESO/MPE/Marc Schartmann
現(xiàn)實中還沒有其他物體能像它那樣有如此鮮明的內(nèi)外之別。生活在外部的我們只能看到它的外面，任何探測器都無法把它內(nèi)部的信息帶給我們。我們可以發(fā)送無線電信息和機器人探測器，但是這些使者一旦越過邊界，就再也無法回頭了……我們甚至都無法知道它們身上發(fā)生了什么。
這就是黑洞。視界是黑洞的邊界，但并不是通常意義上的“表面”——它沒有實質的分界線——然而卻異常真實。視界之外，只要物體的速度足夠高，便能掙脫黑洞的引力；而在視界之內(nèi)，它若想離開，速度必須高于光速，而這是自然法則所禁止的。
從某種意義上來說，視界就是黑洞，因為我們通過任何手段都無法觀察到它的內(nèi)部。大自然把宇宙的終級奧秘隱藏在那里，并用一個只進不出的屏障守護著它。
更讓人感覺神秘的是，根據(jù)廣義相對論——這個我們對引力運作機制的最好解釋，黑洞是沒有特征的。它們可能誕生自恒星的死亡，也可能誕生自早期宇宙中由大量氣體引發(fā)的引力坍縮，但結果卻是一樣的。用化學成份之類的方式來解釋它形成的原因是毫無意義的。在宇宙中，黑洞所表現(xiàn)出來的唯一特性是它的質量和轉速。
面對這種現(xiàn)象，人們戲稱黑洞遵循的是“無毛定理”：不管它內(nèi)部有什么，視界之外都是光溜溜的。（這個名字是由杰出的物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒創(chuàng)造的，他顯然并不是一位對發(fā)際線后退敏感的人。）而這個“無毛定理”所呈現(xiàn)的，是一個極具挑戰(zhàn)性的謎題：我們無從得知黑洞是刪除了它所有的過往歷史，“忘記”了它的過去和祖先，還是把這些信息保留在一個我們不知道的地方。假如這些信息已經(jīng)被銷毀，那就違反了量子力學的原理；而如果它們保留了下來，那就需要一個能夠超越廣義相對論的新理論。
黑洞內(nèi)部不僅是宇宙中一個無法觸及的區(qū)域。它還是許多極端物理學的實驗室：最強的引力和最活躍的量子過程。正因為如此，物理學家對黑洞內(nèi)的一切都極為感興趣，即便缺乏直接的實驗或觀測手段來驗證他們的觀點。
人們戲稱黑洞遵循的是“無毛定理”：不管內(nèi)部有什么，視界之外都是光溜溜的。
我們無法穿透視界光溜溜的“腦殼”，但這并不意味著我們對黑洞內(nèi)部一無所知。不管科幻作品里怎么說，我們可以確定的是黑洞內(nèi)并沒有連接另一個空間或現(xiàn)實的通道（蟲洞）。大部分物理學家都相當確定，要對黑洞內(nèi)部進行描述，我們需要的是量子引力學——這是一種將量子物理和廣義相對論統(tǒng)一起來的理論——或者可能是我們當前引力模型的某種修訂版。這種理論的完整結構仍然未知，但是學者們已經(jīng)對它的大致框架有所了解。
一種嘗試來自雅可夫·鮑里索維奇·澤爾多維奇、雅各布·貝肯斯坦和史蒂芬·霍金。由于引力的量子理論不存在，因此他們將粒子物理和廣義相對論結合起來，結果顯示視界的溫度并非是零，而且還會發(fā)光，雖然極其昏暗。這種光就是所謂的“霍金輻射”；當成雙成對的粒子——如電子和正電子，或一對光子——在強烈的引力場中被制造出來時，其中一個粒子會墜入黑洞，另一個會逃離，從而產(chǎn)生這種輻射。
既然這些粒子的質量是由黑洞的能量（E = mc^2）產(chǎn)生的，那么每當一個粒子逃逸，黑洞的質量就會減少一點。遺憾的是黑洞視界溫度遠低于我們所能看到的程度，因此霍金輻射要比其他光源昏暗得多。但不管怎樣，假如存在質量極低的黑洞，它們就會因霍金輻射而顯得相當明亮，而且衰減得相當快，最終蒸發(fā)殆盡。觀察這類黑洞的消亡，可能有助于我們最終獲知黑洞內(nèi)的信息是否確實丟失，還是被視界藏在什么地方。
有意思的是，霍金本人認為這個問題已經(jīng)解決了，至少在原理上是這樣：黑洞保留了它們吞掉的所有信息，就像在二維的圖片中保留三維信息一樣。他的假說是基于弦理論觀點的，針對的是一個抽象的、擁有更高維度的宇宙，而在我們的四維宇宙（三維空間外加時間）中還行不通。因此，并不是所有人都接受霍金的論點，即便他們也同意黑洞不會忘記它們的起源。
根據(jù)推測，霍金輻射是由各種成份構成的，其中包括奇異粒子，如暗物質和引力子，而這些我們都還沒有在實驗室中發(fā)現(xiàn)過。雖然大自然殘暴地試圖阻止我們對它進行研究——因為微型黑洞極為罕見，甚至可能不存在——但是這確實是一個令人著迷的觀點。我們能夠看到較大黑洞產(chǎn)生的霍金輻射，但前提是它必須不怎么吃東西，而且要離我們非常近才行。（另一種方法是在實驗室里制造一個微型黑洞，但是如果沒有新奇的物理學方式，所需的能量就會超出我們的能力。）
著名的天鵝座 V404 是已知離地球最近的黑洞，它距離我們約有 8000 光年。雖然放在宇宙中這點距離只不過是一根發(fā)絲那么寬，但對于我們來說，這樣的距離也已經(jīng)足夠遠到我們根本無法對它進行近距離研究。（作為對比，旅行者 1 號這個飛得最遠的人類探測器，此刻和地球的距離也只不過是 17 光時）。而距離我們最近的超大質量黑洞（質量超過太陽的 10 萬倍）甚至更遠：26000 光年。它是銀河系中心的怪獸，名為人馬座 A*。
我們之所以能夠看到天鵝座 V404，是因為圍繞在它周圍的物質：這些物質是它從伴星那里剝奪過來的，它們圍繞著黑洞運行時會被加熱，并釋放出強烈的 X 射線和無線電輻射。高精度的觀測手段使天文學家能夠對 M87 星系內(nèi)巨型黑洞周圍距離很近的旋轉氣體進行測量。人馬座 A* 附近舞動的恒星和等離子體，則揭示了那個使我們的星系得以結合在一起的黑洞的存在。
隨著技術的持續(xù)進步，我們對黑洞將會看得更清，對視界的描繪也會越來越細致。但大自然仍然會把它的秘密隱藏在黑洞內(nèi)部，而且可能會一直到永遠。
作者是一位物理學家。
文/Matthew Francis
譯/老孫
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