廣義相對論預(yù)測了黑洞的存在，卻留下了信息佚失的矛盾?，F(xiàn)在好了，利用量子效應(yīng)也許能避免黑洞形成，以密度極高的天體“黑星”取而代之。

黑洞成為大眾文化的一部分已有數(shù)十年了，在電影《星際迷航》中，它還扮演了主要的角色。這一點(diǎn)兒也不奇怪，這些恒星塌縮后的陰暗殘骸，似乎專門用來引發(fā)我們最原始的恐懼：黑洞會將某些秘密隱藏在其簾幕之后(c包就是它的“事件視界”)，任何人或物只要墜落其中，就注定無從逃脫，所有被它吸入的東西，必然被徹底摧毀。

對理論物理學(xué)家來說，黑洞是愛因斯坦場方程式的一個解，而該方程式是廣義相對論的核心。在廣義相對論中，時空就像是由彈性材質(zhì)所建構(gòu)的，而物質(zhì)與能量可將其扭曲，所造成的時空曲率又控制了物質(zhì)與能量的運(yùn)動，產(chǎn)生了我們所認(rèn)知的重力。這些方程式清楚地預(yù)測，在時空中有些區(qū)域里的訊號無法傳到遙遠(yuǎn)的觀測者所在，這些區(qū)域就是黑洞。在黑洞內(nèi)的“奇異點(diǎn)”，物質(zhì)密度趨近于無限大，環(huán)繞其四周的空曠地帶具有極強(qiáng)大的重力，沒有任何東西(包括光)能夠逃離。物理學(xué)家以事件視界將此重力強(qiáng)大的地帶與其他區(qū)域分隔開來。在最簡單的情況下，事件視界是個球體，若黑洞的質(zhì)量與太陽相當(dāng)，此球的直徑只有6千米。

談過了科幻與理論，那么實(shí)際的狀況又是如何呢?各式各樣精密的天文觀測結(jié)果都指出，宇宙中確實(shí)存在一些超致密物體，它們完全不散發(fā)任何光芒或輻射。這些幽暗天體的質(zhì)量在數(shù)個到數(shù)百萬個太陽質(zhì)量之間，而依據(jù)最優(yōu)秀的天文物理學(xué)家估算，它們的直徑范圍則在區(qū)區(qū)數(shù)百千米到數(shù)百萬千米之間，符合廣義相對論對此質(zhì)量范圍內(nèi)黑洞的預(yù)測。

但這些被觀測到的、既幽暗又致密的物體，真的就是廣義相對論預(yù)言的黑洞嗎?雖然目前的觀測與理論相當(dāng)吻合，但理論本身對黑洞的描述卻不太令人滿意。尤其是，廣義相對論預(yù)測在每個黑洞里都有顆“奇異點(diǎn)”，顯示廣義相對論在這里失效。廣義相對論會失效，大概是因?yàn)樗⑽从?jì)人物質(zhì)與能量在微觀尺度上才會顯現(xiàn)的量子效應(yīng)。合并了量子力學(xué)的修正理論，一般稱為量子重力論，將可帶動理論物理領(lǐng)域的許多新研究。

對量子重力論的需求，引發(fā)了一些迷人的問題：被量子重力論修正過的黑洞會是什么樣子的呢?它們會和古典黑洞大相徑庭嗎?或者古典敘述依然是可行的?研究顯示，某些量子效應(yīng)是可以完全避免形成黑洞的，取而代之的是被我們命名為“黑星”的天體，它的密度不會跳升到無限大，也不會被事件視界包覆。黑星是由空間本身支撐起來的，這種“建材”意外的堅(jiān)固。

我們運(yùn)用一種稱為“半古典重力論”的古老方法得出這項(xiàng)結(jié)論，但我們并沒有使用關(guān)于塌縮物質(zhì)的所有假設(shè)，這樣或許能夠避免在那些研究中得出矛盾的結(jié)果。在量子重力論尚未完備的情況下，過去的30多年里，理論物理學(xué)家在分析量子力學(xué)如何改變黑洞時，都訴諸半古典重力論。半古典重力論將量子物理的觀點(diǎn)，特別是量子場論部分納入了古典的愛因斯坦重力理論中。

量子場論以充滿空間的場來描述電子、光子、夸克等任何你想得到的基本粒子，這方式非常類似電磁場。量子場論的方程式通常是建立在平坦空間里的，也就是沒有重力的空間，半古典重力論則使用在彎曲空間里構(gòu)建出來的量子場論。

廣義來說，半古典重力論所使用的策略如下：根據(jù)古典的廣義相對論，當(dāng)一群物質(zhì)聚積成某一狀態(tài)時，將產(chǎn)生某種特定的彎曲時空，但時空的曲率又會修改量子場的能量，受影響的能量再進(jìn)一步改變時空曲率，如此不斷循環(huán)。

這個做法的目標(biāo)是要獲得自我一致的解——一個彎曲時空，它的曲率產(chǎn)生于它所包含的量子場的能量。雖然重力本身還無法以量子理論來描述，但這種自治的解，在涉及量子效應(yīng)與重力的許多情況下，應(yīng)該可以相當(dāng)近似地預(yù)測真實(shí)情形。半古典重力論以一種極“輕微”的方式，把量子修正加入到廣義相對論里。因此，半古典重力論雖然仍以古典方法處理重力(也就是時空曲率)，但已考慮到物質(zhì)的量子行為。

但是，這個方法立即遭遇到一個尷尬的問題：如果直接以它計(jì)算量子場的最低可能能量，也就是沒有任何粒子出現(xiàn)時的能量(稱為“零點(diǎn)能量”或“真空能量”)，會產(chǎn)生無限大的結(jié)果。事實(shí)上，這個問題老早就出現(xiàn)在一般的量子場論里(也就是在乎坦空間、沒有重力的狀況)。幸運(yùn)的是，理論物理學(xué)家在預(yù)測不牽涉重力的粒子物理現(xiàn)象時，粒子的行為只取決于狀態(tài)間的能量差，因此量子真空能量的值并沒有任何影響；我們可以使用稱為“重整化”的一種謹(jǐn)慎的減法技巧，以極高的精確度來計(jì)算能量差。

然而，當(dāng)必須考慮重力時，真空能量就變得重要了。無限大的能量密度會產(chǎn)生極大的時空曲率，也就是說，

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2004年7月21日，在愛爾蘭都柏林舉行的“第17屆國際廣義相對論和萬有引力大會”上。英國傳奇科學(xué)家斯蒂芬·霍金教授宣布了他對宇宙黑洞的最新研究結(jié)果：黑洞并非如他和其他大多數(shù)物理學(xué)家以前認(rèn)為的那樣，對其周遭的一切“完全吞食”，事實(shí)上被吸入黑洞深處的物質(zhì)的某些信息實(shí)際上可能會在某個時候被釋放出來。

宇宙學(xué)家相信，太空中有許多類型的黑洞，從質(zhì)量相當(dāng)于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超級黑洞。不一而足?？茖W(xué)家過去認(rèn)為，從巨大的星體到星際塵埃等。一旦掉進(jìn)去，就再不能逃出，就連光也不能“幸免于難”。而霍金教授關(guān)于黑洞的最新研究有可能打破這一結(jié)論。經(jīng)過長時間的研究，他發(fā)現(xiàn)，一些被黑洞吞沒的物質(zhì)隨著時間的推移，慢慢地從黑洞中“流淌”出來。

霍金關(guān)于黑洞的這一新理論解決了關(guān)于黑洞信息的一個似是而非的觀點(diǎn)，他的劍橋大學(xué)的同行都為此興奮不已。過去，黑洞一直被認(rèn)為是一種純粹的破壞力量。而現(xiàn)在的最新研究表明，黑洞在星系形成過程中可能扮演了重要角色。

1976年，霍金稱自己通過計(jì)算得出結(jié)論，他認(rèn)為黑洞在形成過程中，其質(zhì)量減少的同時還不斷在以能量的形式向外界發(fā)出輻射。這就是著名的“霍金輻射”理論。但是，理論中提到的黑洞輻射中并不包括黑洞內(nèi)部物質(zhì)的任何信息，一旦這個黑洞濃縮并蒸發(fā)消失后，其中的所有信息就都隨之消失了。這便是所謂的“黑洞悖論”。

這種說法與量子力學(xué)的相關(guān)理論出現(xiàn)相互矛盾之處。因?yàn)楝F(xiàn)代量子物理學(xué)認(rèn)定這種物質(zhì)信息是永遠(yuǎn)不會完全消失的。如今，霍金終于給了這個當(dāng)年自相矛盾觀點(diǎn)一個更具有說服力的答案?；艚鸱Q，黑洞從來都不會完全關(guān)閉自身，它們在一段漫長的時間里逐步向外界輻射出越來越多的熱量，隨后黑洞將最終開放自己并釋放出其中包含的物質(zhì)信息。

即使是空間都能蘊(yùn)藏極強(qiáng)大的重力，這與我們實(shí)際觀測到的宇宙完全不符；過去10年來的天文觀測指出，零點(diǎn)能量對宇宙總能量密度的貢獻(xiàn)非常微小。半古典重力論并沒有嘗試去解決這個問題，但不論解決的方案為何，我們通常假設(shè)在平坦時空中，零點(diǎn)能量對能量密度的貢獻(xiàn)一定會被抵消掉。這項(xiàng)假設(shè)與半古典真空一致：在每個地方的能量密度都是零，廣義相對論因而預(yù)測出平坦的時空。

如果有某些物質(zhì)出現(xiàn)，時空彎曲了，那必然改變量子場的零點(diǎn)能量密度，零點(diǎn)能量因而不再被精準(zhǔn)抵消。較之于電荷會將介質(zhì)極化的效應(yīng)，我們說這多出來的能量是來自真空極化。

我們已利用質(zhì)量與能量密度來描述半古典重力論的這些特性，但在廣義相對論中，能夠產(chǎn)生空間曲率的，并不只有這些東西，凡是重力物質(zhì)所產(chǎn)生的動量密度、壓力和應(yīng)力，都會影響空間的曲率。在物理的研究上，有一項(xiàng)稱為“應(yīng)力能量張量”

(sET)的研究，可用來描述所有這些產(chǎn)生曲率的量。半古典重力論假設(shè)在平坦時空里，量子場的零點(diǎn)對sET的貢獻(xiàn)剛好被完全抵消，在sET上應(yīng)用這種相減法得到的結(jié)果，就稱為“重整的應(yīng)力能量張量”

(RSET)。

在彎曲空間里運(yùn)算時，這套減法程序成功消掉了sET發(fā)散的部分，但留下了一個有限而不為零的RsET值。最終的結(jié)果是以下的循環(huán)：通過愛因斯坦方程式，古典物質(zhì)將時空弄彎的程度，取決于該物質(zhì)的古典sET：這個曲率使量子真空獲得一個有限但不為零的RSET；這個真空的RsET成為額外的重力源，修改了曲率；新的曲率再進(jìn)一步產(chǎn)生一個不同的RsET，如此循環(huán)不絕。

(陳妮娜 插畫)