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黑洞(三):中心之谜
Black Holes III:The Mystery of the Centre

我们对黑洞存在某种矛盾的认识。对于天文学家来说,现在它们已经成了“正常”的物体。天文学家观察、计算、测量它们。它们的行动完全符合爱因斯坦一个世纪前的预测,那时没人能想象这种古怪的物体居然真的存在。所以,可以说,它们现在处于控制之下,然而,它们依然是完全神秘的。

一方面,我们有一个美丽的理论,即广义相对论,它被天文观测以令人惊叹的方式所证实,完美地解释了天文学家的观测结果:这些吞噬恒星的怪物,以旋涡状旋转,产生能量极为强大的射线,还有其他奇诡之物。宇宙丰富多样,令人惊奇,充满了我们从未预见或想象过会存在的物质,但它们并非不可理解。另一方面,当成年人为自己的发现而激动不已时,他们也始终无法回答一个孩子们爱问的小问题:“但是,我们看到的那些坠入黑洞的东西都去哪儿了?”

事情就是在这里变得费解。爱因斯坦的理论提供了一个精确优雅的数学描述,甚至包括黑洞内部:它标明了坠入黑洞的物质所必须遵循的路线。物质坠落的速度会越来越快,直到它到达中心点。然后……然后爱因斯坦的方程式失去了所有意义。它不再告诉我们任何内容,似乎像阳光下的雪一样融化了。变量无穷无尽,一切都变得无法理解。哎呀。

坠入黑洞中心的物质后来怎么样了?我们不知道。

通过望远镜,我们看到了它坠落,我们在头脑中追踪它的轨迹直至几乎到达黑洞中心,然后我们就不知道后面发生什么了。我们知道黑洞的外面和里面是由什么组成的,但是一个关键的细节遗失了:中心。但这绝不是一个无关紧要的细节,因为坠入其中的一切(东西在持续坠入我们在空中观察到的黑洞)最终都会到达中心。天空布满了黑洞,我们看到东西在其中消失……但是我们不知道它们后来怎么样了。

迄今为止,寻找这个问题答案的道路都困难重重。也许它们后来会在另一个宇宙出现?也许我们所处的宇宙就是从前一个宇宙里打开的某个黑洞里产生的?也许,在黑洞中心,一切都消融成了一片可能性之云,在那里时空和物质失去了意义?或者黑洞会散发热量,因为进入其中的物质在无数年后,神秘地变成了热量?

我在马赛的研究小组,和来自格勒诺布尔 以及荷兰奈梅亨 的同事一起,联合探索一种对我们而言更简单也更合理的可能性:物质在到达中心之前速度慢下来,直至停滞。当它被压缩到极限,就会产生一种巨大的斥力,防止它最终坍塌。这与防止电子坠入原子核的“压力”相似:这是一种量子现象。物质停止坠落,形成一种体积极小、密度极大的恒星:一个“普朗克恒星”。然后发生的,就是物质在这种情况下经常发生的一件事,它会回弹。

它像一个掉到地板上的球一样弹起来。像这个球一样,它沿着坠落的轨迹回弹,时间倒流,用这种方式,黑洞将自己转化(通过“隧道效应”,就像我们在行话里所说的那样)成它的反面:白洞。

白洞?什么是白洞?它是爱因斯坦方程式除黑洞外的另一个解,我的大学课本上说“在真实的世界它们是不存在的”……它们是空间的一个区域,那里只有东西出来没有东西进去。它是黑洞的时间倒转。一个向外爆炸的洞。

但是我们为什么只看到物质坠入黑洞但看不到它立刻反弹回来?问题的答案在于时间的相对性,这也是我们要思考的关键点。时间不是在所有地方都以同样的速度流逝。所有物理现象在海平面上都比在山上要更慢。如果我在低处,重力最大的地方,时间会慢下来。在黑洞中,重力极度强大,结果时间就变得极慢。如果我们想象有人冒险进入黑洞里面去看看,在这个过路人看来,那些坠落物质的反弹速度是很快的。但是从黑洞外面看,一切都慢了下来。极慢。我们在极长的时间里看到东西慢慢失去踪影,直至完全消失。从外面看,一切在几百万年里看上去都像是凝固了——这正是我们对在天上可以看到的黑洞的感知。

但是极长的时间并不是无限的时间,如果我们等得足够久,就会看到物质从里面出来。一个黑洞最终也许不过是一颗坍塌后回弹的恒星——从外面看,它的动作极慢极慢。

这在爱因斯坦的理论中是不可能的,但是爱因斯坦的理论也并没有考虑量子效应。量子力学允许物质从它黑暗的陷阱中逃逸。

在多久之后呢?对于坠入黑洞的物质而言只是很短的时间,但对于我们这些从外面观察的人则是极长的时间。

这就是黑洞的完整故事:当一颗恒星,比如太阳,或是比它更大一点的天体,在消耗掉所有的氢气后停止了燃烧,热量不再产生足够的压力来抵消它的重量。这颗恒星就会向内坍缩,等到它足够重,就会产生一个黑洞然后坠入其中。一颗太阳那么大的恒星,也就是说比地球大几千倍的恒星,会产生一个直径为1.5公里的黑洞。想象一下:整个太阳被压缩到像山麓小丘那样大的体积中。这些是我们能在天空观察到的黑洞。恒星的物质在其中继续行进,进入得越来越深,直到它到达了压缩的极限,而后回弹。恒星的全部体积被压缩进了一个分子的空间中。这时量子斥力开始起作用,恒星立即回弹,开始爆炸。对于恒星而言,只是过去了一秒钟的百分之几。但是由巨大的引力场导致的时间膨胀如此强烈,以至于当物质重新出现在宇宙的其他地方时,百亿年的光阴已经过去了。

实际情况果真如此吗?我不确定。我觉得很可能是这样。其他的选项在我看来都没有这个合理。但我可能是错的。然而,努力去弄清楚这个问题真的让人很快乐。

(《24小时太阳报》周日版2014年8月24日) k85aEq3xkw1N10I3khVuB07UfmslUsViH/99Dp2qBUeu9jNv0rn3hRvMLlFDuQnY

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