神游

經(jīng)過了四分之三個世紀，黑洞終于以真實的天體出現(xiàn)了，出發(fā)到黑洞探險的時機到了。

媒體對黑洞的報導，常給一般老百姓一個“吸”的恐怖感。黑洞不吸，我們干嗎叫它黑洞?!

在遠處看黑洞，或用更精確的字眼形容，在遠處感覺黑洞重力場的存在，是個絕對安全的舉動。黑洞的重力場和太陽的沒有什么不一樣。太陽輕點，變不成黑洞。但即使太陽真的變成黑洞，地球在1億5千萬公里外的軌道運行，還是會像過去45億年一樣，絕不會被它吸進去。

但黑洞只能遠望，不能近看。一近就真有吸力，到時逃不出來，葬身黑洞，就后悔莫及了。所以，到黑洞探險，只能像“桃花源記”似的神游，不能玩真格的。

物理學家組織到黑洞神游之旅，團員一般包括丈母娘、妻子、女朋友和機器人等。但不知為何，物理學家最常送出去的首位人選就是他們的女朋友。當然，把最親密的女友往黑洞里丟，為科學獻身，也不失為無私高貴之舉，但背后動機常令人質(zhì)疑。所以本文絕不送感情深厚之人到黑洞探險，當然也不會自愿當敢死隊員，要送就送智能型的機器人。

探險目標:類星體QJ287核心的宇宙最大黑洞。從這個超大黑洞180億倍太陽質(zhì)量計算，我們得知它的視界界面距黑洞中心約0.34光年，也就是說，在這個距離，脫離速度已達光速。

話說這位被我們命名為“開弓”的智能機器人在距星體QJ287 0.4光年處，離開人類的星航旗艦，在艙外檢查完畢先進的激光通訊器材后，報告:“開弓感覺良好”，打開左紅右綠的航標燈，就對準宇宙最大的黑洞重力場，頭上腳下，自由落體往黑洞墜下。開弓在重力場中穩(wěn)定加速，從旗艦的計算器飛行時間顯示，它正在接近在0.34光年處的視界界面，此時傳來開弓報告:“抵達視界界面，重力潮(gravity tide)急驟增加”，旗艦的儀器顯示，開弓腳部位的重力場已是頭部位的253倍。開弓的軀體由宇宙最強韌的材料打造，頭腳數(shù)百個重力單位差，小事一樁，還扯不斷開弓。

重力潮作用在人類日常生活經(jīng)驗之中。地球的海洋每天兩次高潮，即因月球在地球引起的重力潮而起:向月面重力場強，海水被吸過來，形成高潮。背月面重力場弱，海水所受的重力場比地殼弱，于是相對上升也成高潮。

開弓愈行愈遠愈快，從旗艦望去，航標燈的顏色因重力場持續(xù)增強而發(fā)生紅移(gravitational red shift)，綠色轉(zhuǎn)紅，紅色更紅，已無法分辨左紅右綠。重力紅移是愛氏相對論的結果。旗艦緊盯著航標燈。開弓繼續(xù)朝黑洞隕落，旗艦的計算器顯示，開弓應已進入黑洞內(nèi)部，很快就會抵達核心的奇異點，被宇宙最大的重力潮撕得粉碎，連原子、核子和夸克結構都保不住，終歸舍己成仁，完成探險任務……

但一個奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了。

旗艦繼續(xù)緊盯著開弓的航標燈，只見左右皆成紅色，雖然愈變愈暗，但竟然不消失。旗艦決定把這個疑案搞個水落石出，就用宇宙間最靈敏的儀器，繼續(xù)觀察下去。一天過去了，一個月過去了，一年、百年、千年、萬年過去了，開弓的余光仍在，像是永恒地被凍結住，永不消失。

圖8:黑洞奇異點瞬間的時空沸騰翻滾重力粥結構示意圖。

其實開弓在即將通過視界界面時送出的“抵達視界界面……“訊號，尚在痛苦地掙扎，企圖脫離黑洞的重力場。還記得嗎?視界就是連光或電磁訊號都無法脫離之處。開弓的航標燈光和訊號要往外走，黑洞的重力場從后面拖住不放，那點微弱的航標燈光最終還是沒逃出去。從旗艦望去，開弓的航標燈像是被凍結在視界處。1939年后黑洞理論出現(xiàn)初期，黑洞一度被稱為“凍星”(frozen star)，就是因為從旗艦來觀測開弓的飛行，得到的結論就是開弓被“凍結”在黑洞的視界處，永遠飛不到目的地。

但開弓自己的旅途經(jīng)歷，就完全是另外一回事。

開弓繼續(xù)穩(wěn)定加速，向黑洞隕落愈來愈快，在通過黑洞視界界面時，除開頭腳的重力潮強度持續(xù)增加外，亳無異樣感覺。通過沒有界標的視界界面進入黑洞后，與外界通訊瞬時被切斷，即使開弓繼續(xù)送出任務報告訊號，已和旗艦陰陽兩界，訊息永遠無法抵達。

開弓繼續(xù)向黑洞核心加速沖去，幾秒鐘后，抵達奇異點。開弓一看，哎呀，不得了!那180億倍的太陽質(zhì)量，竟然全被集中在一個僅為一粒原子的1萬億億分之一的空間，約10-33厘米大小，幾乎接近零體積。宇宙之奇，以此為最。在奇異點附近，重力潮洶涌澎湃，像一鍋沸騰翻滾的熱粥，瞬息萬變。突然金光一閃，“蛀孔”(wormhole)洞開，奇異點處繁星點點，旋即消失，開弓好像看到了35億光年外的太陽系老家……

開弓終于看到了宇宙終極的秘密，它急速發(fā)出一通奇異點物理特性報告，但可惜那已成永遠無法抵達收件人的電波。這么大的質(zhì)量圈在這么一個小的空間，重力潮開始撕裂開弓的原子、核子、夸克和其它所有的結構。就這么噗哧一下，開弓就被奇異點吞掉，消失得無影無蹤。

開弓沒有回頭箭，進入黑洞，就只有為科學獻身光榮犧牲的結局。

人類目前的智慧，尚無法理解黑洞的奇異點。正在發(fā)展中的量子重力理論和超弦理論(Superstring theory)，以重力粥(gravity froth)來形容奇異點時空結構，很抽象，但不外像量子力學用上帝擲骰子概念，來想象那像一鍋翻騰的重力粥混亂情況(圖8)。

在前文的描述中，我們沒區(qū)分這個黑洞是否在旋轉(zhuǎn)。宇宙中所有的天體，左碰右撞，爆炸連連，旋轉(zhuǎn)是常態(tài)，靜止是異態(tài)，但主要基本物理概念，轉(zhuǎn)或不轉(zhuǎn)，大略相同，在此就不深究了。

熵

擁有龐大質(zhì)量的黑洞，像一臺強力的真空吸塵器，橫掃宇宙空間，所向披靡。氣體、星塵和星體，不論有多復雜的核子、原子、分子和宏觀結構，被黑洞吞入后，變成無體積的重力粥，集結在奇異點。在視界外看黑洞，從周遭物質(zhì)運動推算，黑洞好像只以質(zhì)量、角動量和電荷三個變量示人，其它多余訊息一概闕略。也就是說，兩個黑洞，只要這三個參數(shù)相同，它們就無法分別彼此，是同樣的東西。

黑洞內(nèi)部因為重力潮強大，掉入黑洞的物質(zhì)，不論大小，只要有棱棱角角結構尖銳之處，皆被重力潮沖平，成為光滑結構，這就是所謂黑洞的“無毛理論”(no hair theorem)。表面結構再復雜的星體，如地球的高山、河流、板塊、海洋，如被黑洞吞噬，這些細微的結構就消失了。所以，黑洞最終以上述的質(zhì)量、角動量和電荷簡單的三個變量呈現(xiàn)，似乎說得過去。

既然它只以質(zhì)量角動量和電荷顯現(xiàn)，我們也束手無策。

但仔細一想，大不妥。

人類認為宇宙有一個基本大法，即熱力學第二定律，不得違背。簡單說來，這個定律要求宇宙的“亂度”(randomness)與時俱增。我們的書房如不費勁整理，就越來越亂;而已經(jīng)亂了的書房，絕不會不加外力就變回整齊。一個碗墜地破碎，也不會自動由地面蹦回桌面，重新組成原來的碗。潑出的水收不回來，破鏡也無法重圓，都是遵循熱力學第二定律辦事。整個宇宙也是朝愈來愈亂的方向前進?？茖W家發(fā)明出熵(entropy)這個名詞，來描述亂度的大小。熵和宇宙中的溫度有直接關系:宇宙愈亂，溫度就愈高，其內(nèi)含的熵也愈高。遵循熱力學第二定律發(fā)展的宇宙，最后的結局是所有組成部份都達到同樣的、最大極限的亂度或溫度結局。

再以開弓這個機器人為例。它是人類智慧的結晶，體內(nèi)含有高度規(guī)律的電子和機械等系統(tǒng)，有許多操作上的參數(shù)，幾近于人類變化無窮的自由意志。它進入黑洞后光榮犧牲，成為黑洞的一部份。但從星航旗艦望去，黑洞僅增加那么一點點開弓的質(zhì)量，多一點開弓帶進去的角動量和電荷，至于和開弓有關的一切其它特性，就從宇宙中永遠消失。

以熱力學第二定律來看開弓被黑洞吞噬事件，很明顯的是黑洞埋葬了開弓生前很多特性。換言之，開弓對宇宙亂度或熵的貢獻沒了，宇宙總熵值因黑洞吞下開弓而降低了!

1970年代這個結論剛出現(xiàn)時，霍金認為黑洞是最神秘的天體，即使它違背熱力學第二定律，成為宇宙中巨大的“減熵”機器，我們也只好接受。這個立場遭到一位年輕的研究生貝肯斯坦(Jacob Bekenstein，1947- ，下稱貝氏)強烈反對，認為黑洞不能違背熱力學第二定律，也應有其特有熵值。幾年后，霍金和貝達成共識，計算出一個10個太陽質(zhì)量大小的黑洞應擁有約4.6x1078的熵值。宇宙中電子總數(shù)約為1080個，宇宙的亂度至少該是這個數(shù)值，所以這個1078的熵值看起來合理。

黑洞向熱力學第二定律歸隊，開弓的生前資料還應保存在那個變化無窮、熵值龐大的重力粥中。

屬于開弓的熵沒有從宇宙中消失。開弓，安息吧!

蒸發(fā)

放眼望去，當下宇宙中的大小黑洞，吞食周遭星材，只進不出，絕不手軟。假以宇宙悠悠無窮的歲月，巨網(wǎng)撒開，總有一天，所有宇宙物質(zhì)，都被黑洞盡收到奇異點。組成你我身上的分子原子電子核子和夸克，最終也會被某個黑洞捕捉，墜落于重力粥中，永恒不得超脫。

宇宙終極的歸宿就是這么一個巨大的黑洞嗎?

其實黑洞也有弱點，它會蒸發(fā)，時間夠長，也能蒸發(fā)殆盡。所以，黑洞可能不會坐大，呈宇宙尾大不掉之勢。

黑洞蒸發(fā)理論是霍金在1974年發(fā)展出來的，命名為“霍金輻射”(Hawking radiation)，其核心思維還要借助于黑洞視界外附近的重力潮和宇宙中的真空能量，有些抽象，但還是能用科普語言敘述的。

話說緊接在黑洞視界外附近的真空，因量子力學上的測不準原理，發(fā)生了真空能量起伏現(xiàn)象，向虛無的空間提供了能量，制造出一對光子。這對光子被黑洞的重力潮拉開。往外跑的光子從黑洞的重力潮再次取得更多的能量，爬坡脫離黑洞而去。剩下的那個能量較低的光子，被吸入黑洞。兩相比較，逃掉的光子從黑洞的重力潮中獲得較多能量，黑洞的總能量在這場交易中損失些許，總能量降低，黑洞質(zhì)量也隨著下降……黑洞蒸發(fā)了。

以上僅用光子來說明黑洞蒸發(fā)機制。黑洞也可能通過粒子、微中子和重力波等類能量的輻射而蒸發(fā)。

視黑洞質(zhì)量的大小，蒸發(fā)速率各異。黑洞愈大，蒸發(fā)速率愈慢。一個太陽質(zhì)量大小的黑洞，需約1067年才能蒸發(fā)殆盡。我們的宇宙年齡僅100億年，或1010年。所以，這個黑洞還需宇宙年齡的10億億億億億億億倍時間，才能把吸進去的熵和訊息再歸還宇宙。這有點像我們向銀行借房貸100萬人民幣，分期10億億億億億億億年償還，不是不還，只是時間長些而已。

自然形成的黑洞，皆大于數(shù)個太陽質(zhì)量。但在宇宙暴脹的高能量時期，可能會有很小的黑洞形成。例如一個質(zhì)量1，000公斤如汽車的黑洞，視界大小約10-20厘米，它會在10億分之一秒就完全蒸發(fā)，產(chǎn)生的輻射能有200個太陽的絕對光度。至于在人類最高能量的粒子加速器中制造出來的微黑洞，在10-88秒就蒸發(fā)光。前陣子歐洲的“大強粒子對撞機”開始使用，媒體大肆渲染微黑洞將吞噬世界。真實的情況是:第一，對撞機的能量遠遠不夠，根本制造不出微黑洞;第二，即使真的造出來，也是瞬息蒸發(fā)，絕對沒有時間在地球上闖禍。

黑洞取之于宇宙，最終還是會通過蒸發(fā)而歸還于宇宙，有借有還，黑洞并不那么可怕。

時光機

人類對黑洞的認知還在起步階段。其實我們有太多的事情不知道。宇宙中的物理定律是怎么來的?人類還有多少未知的物理定律?外層空間文明世界存在嗎?人類有朝一日能做星系之旅嗎?

說到未知的物理定律，黑洞核心那一團超微小的重力粥，人類對它就是完全無知。在重力粥中運行的力，是當今宇宙中最強的力，無可比擬。人類目前希望能發(fā)展出一個量子重力理論，來開始理解它。但重力粥深藏黑洞核心，人類看不見夠不著，頂多能從它對視界的作用，找到些蛛絲馬跡，整理出些許規(guī)律。

雖然我們?nèi)绱藷o知，但人類的心智還是可以做些聰明的假設。讓我們想象，在未來有那么一天，人類的文明進步到“全知”，宇宙中已沒有人類不知道的事。人類在宇宙中能做什么事，不能做什么事，完全清楚。

星系間距離浩瀚，動輒上百萬光年。連接星系間的時空空間，在重力場的作用下，一般皆有些曲度，但基本相當平直。但在一個超大宇宙，四維空間的曲率可能會緩慢彎曲。愛氏曾說過，宇宙間距離最大的兩點，就是一個人的眼睛和后腦勺。人極目望去，目光通過逐漸彎曲四維空間，看到盡頭，以后腦勺部位為終點。

人的生命短暫，即使以光速飛行在兩星系間略為彎曲的四維空間，恐也難圓星系之旅的夢。

但在一個全知的文明世界，星系之旅可能嗎?

分散在宇宙各星系的黑洞，在一個全知的文明世界，就是星系間旅行的太空港口。星系間太空港口建立，首先要把兩個各在不同星系的黑洞連接起來。黑洞的連接是全知文明世界的大工程。兩個黑洞銜接后，星系間的時空隧道就被鑿開了。在全知文明世界，這類隧道通稱為蛀孔。隧道形成初期相當不穩(wěn)定，偶爾金光一閃就又合攏，開弓抵達QJ287黑洞奇異點時就看到這么一眼，一晃而過。所以，時空隧道鑿開后，要對洞壁進行加固工程，材料取自宇宙間無所不在的真空能量。圖9就是完工后的時空隧道示意圖。時空隧道通行前，全知文明世界的成員，從“現(xiàn)在”出發(fā)，要繞道曲率平緩的時空曲面，很久后才能抵達“未來”，費資耗時。而通過蛀孔時光機，全知人

類在現(xiàn)在和未來之間，雙向自由游走，瞬息即達。

結語

經(jīng)過近百年的摸索，人類理解了在現(xiàn)代宇宙中，黑洞能經(jīng)重力塌縮和內(nèi)爆形成。人類找到的黑洞，從僅含數(shù)倍到上數(shù)百億倍的太陽質(zhì)量都有。在視界之外，黑洞的物理行為和愛氏的相對論吻合;黑洞視界內(nèi)重力潮如海嘯，所有黑洞質(zhì)量集中在幾近零體積的奇異點，重力粥沸騰。奇異點雖小，但儲存著吸噬物質(zhì)的所有訊息和亂度熵。假以宇宙無窮歲月，黑洞蒸發(fā)殆盡，終歸和周遭宇宙有借有還，收支平衡。

黑洞是宇宙中最神秘的星體，人類對它的內(nèi)部結構和奇異點的物理行為，還在無知階段。黑洞很可能是一把打開宇宙終極重力奧秘的金鑰匙。