斯蒂芬·霍金在科学上的主要贡献是揭示了黑洞的本性。他证明了黑洞是热的。
我指的不是那些跌入黑洞的物质,它们在旋转和聚集的过程中变得炽热,让黑洞在天空中变得可见。不,霍金证明了即使是没有任何东西正在坠入的平静黑洞也是热的。黑洞本来就是热的。
还没有人观测到这种热量。它太微弱了,任何望远镜都观测不到,在我们看到的黑洞中,它通常被不断坠入其中的物质的狂暴热量所覆盖。目前霍金的预测只是理论上的,缺乏实验的证明。但是他的运算被用许多不同的方式重复,结果总是相同的。科学界认为这个结果是有说服力的。所以黑洞极有可能并不那么黑。它是一个温和的热量之源。如果它孤独地存在于没有恒星的天空中,看起来就不会是黑的,而是一个发着暗淡的光的小球体。
这个结果令所有人吃惊。说一个东西是热的,意味着它能散发热量。但是我们原以为黑洞是一个没有东西可以逃逸的地方——那么热量是怎么从它身上散发出来的呢?
霍金运算的关键在于他考虑到了量子力学。预测黑洞只能进不能出完全是基于爱因斯坦的理论——广义相对论,而这是一个忽视量子现象的不完整的理论。霍金的运算提升了我们对一个现象的理解,爱因斯坦的理论对此只是描述到一个有限的程度,指出某种东西——一种微弱的热量——从黑洞里逃逸出来。
黑洞的热量既涉及广义相对论,也就是描述黑洞本身的理论,也涉及量子理论。目前人们还未在一个结合了广义相对论和量子力学的完整理论上达成共识,而黑洞的热量是对如何寻找这样一个理论的提示。它对所有试图将20世纪两大物理学理论结合起来的努力而言都是一个理论基准。黑洞不只是宇宙中令人惊异的真实物体,它们也是实验室,可以从理论上检验我们对空间、时间和量子的观念。
一杯茶热是因为它的分子处于非常动荡的状态。热量是分子的快速运动。但是黑洞的表面不是一个由物质组成的实在的表面,像一个球或是一杯茶的表面那样。它只是一个有去无回的地方,那里的重力大得难以置信。它不是一个由分子组成的有形的表面。那么,如果那里什么都没有的话,黑洞表面那散发出热量的动荡究竟是什么造成的呢?
一个可能的答案是,产生这种热量的是空间的基础量子。霍金的运算预见到的黑洞热量,可能是揭示这些“空间分子”存在的线索。重力这种极为强大的力量就像一个巨大的扩音器一样作用在黑洞表面,将空间的基础粒子极微小的震颤显现出来。黑洞的热量不是某个物体的热量:它是真空本身的热量,重力将其放大了。它是虚空的基础热量。
这个推理又引出一个令人疑惑的问题:当我们试图将重力理论和量子力学理论结合在一起时,不谈热量这一点似乎不可能做到。为什么会这样呢?热量可以被解读为失落的信息:说一个物体是热的,就是说它的分子在做大量的随机运动,我们无法基于物体的宏观行为来精确建构这些分子的运动轨迹。如果我在壁炉里烧毁一封信,从理论上来说,一个技术无比高超的调查者可以从灰烬或者炉火发出的光中追踪到信上的内容;但坠入黑洞的东西对于黑洞外的人而言就是永远失去了:如果我把一封信扔进了黑洞,我将永不知道上面写了什么。黑洞毁灭一切信息。那封信去哪儿了呢?
就像一个戈尔迪之结 象征性地关闭了通往亚洲的通道,黑洞是一个神秘物体,近期我们发现的关于世界的所有奇妙现象都与它有关:时间慢到几乎停滞,空间基础量子,失落的信息。宇宙中有这样一个地方,所有东西只能进不能出,永永远远……它造成了一种不安的感觉。它挑战了我们对世界的理论理解。但是我们真的确定所有坠入黑洞的东西都永远无法逃逸吗?永远不要说“永远不”……
(《24小时太阳报》周日版2014年8月17日)