05 黑洞热力学1：神秘的黑洞与隐藏区域

在当今时代的文化剪影中，黑洞是个神秘的物体。因此，在科幻小说和电影里，每每回顾起某些单向通道尽头的另一个宇宙时，黑洞常常是死亡和超脱的代名词。虽然我不是一个出色的演员，但我的一个朋友马德琳·施瓦茨曼（Madeline Schwartzman）导演却曾邀请我出演过她的一部电影。很有幸，在这部电影中我扮演了一位物理学教授，发表了一个关于黑洞的演讲。在这部名叫《索玛·西玛》（ Soma Sema ）的电影中，俄耳甫斯（Orpheus）的神话与当代科学和技术的两个主流主题融合在一起，即全面核战争和黑洞。我的学生奥尔福斯（Orpheus）希望通过她的音乐找到三个不可逆版本的例外。

对那些用专业眼光审视时空的人，黑洞非常重要。整个天文学家的亚文化圈都在致力于研究黑洞是如何形成的，以及如何找到它们。到现在为止，我们已经观测到了很多候选黑洞。但真正让人兴奋的是，很有可能还有很多其他黑洞。包括银河系在内的许多（如果不是大多数）星系的中心，似乎都有一个巨大的黑洞，质量是太阳的数百万倍。而且有观测和理论证据证实，一小部分恒星是以黑洞的形式终结其一生的。像银河系这样的典型星系，轻易就能容纳上千万甚至上亿个恒星黑洞。所以黑洞就在那里，未来的星际穿越者需要小心地避开它们。除了让天文学家痴迷之外，还有其他原因使黑洞对于科学研究具有重要意义。黑洞是量子引力研究的核心对象。在某种意义上，黑洞是可以无限放大的显微镜，让我们有机会以普朗克尺度研究物理。

因为黑洞在流行文化中占有突出地位，所以几乎每个人都大致知道黑洞是什么。在黑洞中，引力极其强大，以至于逃离它所需要的速度比光速还要快。没有光能从黑洞里面逃出来，当然任何其他东西也不能。我们可以依据上一章中介绍的因果结构的概念来理解这一点。黑洞包含的巨大质量导致光锥倾斜度太大，以至于没有光能真正逃离黑洞（如图5-1所示）。黑洞的表面就像一个单向的镜子，朝它移动的光可以进入它，但是没有光能从它那里逃脱。正因为如此，黑洞的表面被称为视界，它是黑洞外的观察者所能看到的极限。

此处需要强调，视界并不是构成黑洞的物体表面，而是这个区域能够将光发射到宇宙中的边界。视界内任何物体发出的光都会被捕获，无法超越黑洞的视界。根据广义相对论，形成黑洞的物体会被迅速压缩，很快达到无穷大的密度。

在黑洞视界的后面，依然是由持续的因果过程构成的宇宙的一部分，只不过我们无法从中得到任何信息。因此，这个区域被称为隐藏区域（hidden region）。宇宙中至少有百亿亿个黑洞，所以有很多任何观察者都看不到的隐藏区域。一个区域是否是隐藏区域一定程度上取决于观察者。因为一个掉进黑洞的观察者会看到他待在外边的朋友永远看不到的东西。在第2章，我们知道不同的观察者在他们的过去可能看到宇宙的不同部分。黑洞的存在意味着这不仅仅是一个等待遥远区域的光线到达我们的问题。我们可能就在黑洞的旁边，但无论等多久，都不会看到身处其中的观察者能够看到的东西。

所有观察者都有他们自己的隐藏区域。每个观察者的隐藏区域都由那些无论他们等待多久都无法从中获得信息的事件组成。每个隐藏区域都包括宇宙中所有黑洞的内部，但也可能包含其他类型的隐藏区域。例如，如果宇宙膨胀的速度随着时间的推移而增加，那么无论等待多久，宇宙中总会有我们永远无法收到其光信号的区域。来自这样一个区域的光子，可能是以光速向我们传播的，但由于宇宙膨胀速度的增加，它向我们传播所经过的距离总是比它到目前为止所走的距离要长。只要膨胀继续加速，这个光子就永远到达不了我们这里。与黑洞的隐藏区域不同，由宇宙加速膨胀所产生的隐藏区域取决于每个观察者的历史。每个观察者都有一个隐藏区域，但是对于不同的观察者而言，他们各自的隐藏区域是不同的。

由此便产生了一个有趣的哲学观点。客观性通常被认为与观察者的独立性有关。人们一般认为，任何依赖于观察者的东西都是主观的，也就是说，它并不是完全真实的。观察者的依赖排除了客观性这一观点，源自柏拉图派的古老哲学观。在柏拉图看来，真理并不存在于我们的世界中，而是存在于一个由所有永恒真理组成的虚构世界中。根据这一哲学观，寻找真理的过程类似于记忆的过程，而不是观察的过程，因此任何人都可以了解世界上的任何真相。这种哲学观与爱因斯坦的广义相对论并不一致，因为在这个理论所定义的宇宙中，有些东西既是客观真实的，同时又只是某些观察者才能知道的。因此，“客观性”与“人人皆知”是不一样的。这就需要一种不那么严格和牢靠的解释：所有那些能够确定某种观察的真实性的观察者都应当意见一致。

任何观察者的隐藏区域都有一个边界，这个边界将他们所能看到的宇宙的部分和不能看到的部分分隔开来。和黑洞的情形一样，这里的边界也被称为视界。和隐藏区域一样，视界也是与观察者有关的概念。对于任何黑洞外的观察者，黑洞都有一个视界，即把光无法逃逸的区域与宇宙其他区域分隔开来的表面。在黑洞的视界内，离开某一点的光将被无情地拉入内部，而视界外的光则能够逃脱（如图5-1和5-2所示）。尽管黑洞的视界是一个与观察者有关的概念，但仍有大量的观察者共享这个视界，即所有那些处于黑洞之外的人。所以黑洞的视界是一个客观属性，但它并不是所有观察者的视界，因为坠入其中的观察者将能够看到里面的东西，且跨越黑洞视界的观察者无法被仍处在黑洞外的观察者看到。

这有助于理解视界本身是光的表面，它们是由那些不能到达观察者的光线组成的（如图5-2所示）。黑洞的视界就是由受困于黑洞的引力场而无法逃离黑洞的光的表面构成的。我们可以把视界想象成光子构成的帘子，从视界内任何一点离开的光子都被向内拉，即使它们最初是从黑洞中心逃离的。

从黑洞的视界外离开的光子到达我们这里时将被延迟，因为靠近视界的光锥严重倾斜导致光线无法逃逸。光子运动的起点距离视界越近，延迟也就越长。视界是一个延迟变成无穷大的点，一个在那里释放的光子永远无法到达我们这里。

于是就有了下面这个有趣的结果。假设我们悬浮在离黑洞一定距离的地方，把一个时钟扔进黑洞，这个时钟每1/1 000秒就会发出一个光脉冲。我们则能够接收到信号并将其转换为声音。起初，我们听到信号是高音调的，因为我们接收到的信号频率为1 000赫兹（每秒1 000次）。但是，当时钟接近黑洞的视界时，由于每一个连续的脉冲到达我们都需要更多的时间，每一个信号都会延迟得越来越久。所以当时钟接近视界时，我们听到的音调就降低了。当时钟越过视界的瞬间，音调会立即降为零，然后我们就什么也听不到了。

这意味着，光的频率会因为逃离接近视界区域的需要而减小。这也可以从量子理论的角度解释，因为光的频率与它的能量成正比，就像我们需要能量来爬楼梯一样，光子也需要一定的能量才能从黑洞外的起点向我们接近。光子的起点距离视界越近，它在飞向我们时消耗的能量就越多。因此，它的起点距离视界越近，到达我们时的频率就会越低。另一个结果是，随着频率的降低，光的波长会增加。这是因为光的波长总是和它的频率成反比。因此，如果频率降低，波长就必须增加。

但这意味着黑洞就像一种显微镜。当然，它不是一个普通的显微镜，因为它的运作方式并非放大物体的图像，而是拉伸光波的波长。不过，这对我们非常有用。因为在很短的距离内空间的性质与我们看到的普通尺度下的空间不同。空间看起来与简单的三维欧几里得几何大不相同，尽管欧几里得几何似乎足以描述眼前可见的世界。这里有各种各样的可能性，后面的章节中会讨论。空间可能是离散的，这意味着空间几何可能存在量子不确定性。就像电子不能定位于原子内的精确一点，而是永远围绕着原子核跳舞一样，空间几何本身可能也在跳舞和波动。

我们通常无法在很小的尺度上看到发生了什么，因为我们不能用光来观察比光的波长还要小的东西。如果使用普通的光，即使最好的显微镜也无法分辨出大小是原子直径的几千分之一的物体，因为原子直径是光谱中可见部分的波长。为了能够看到更小的物体，我们可以使用紫外光，但现有的显微镜，即使是用电子或质子代替光的显微镜，也无法达到观测空间量子结构所需的分辨率。

但是黑洞为我们提供了解决这个问题的方法。因为发生在黑洞视界附近的微小尺度上的任何事情都会被放大，光的波长会随着光线向我们的运动而增大。这意味着如果我们能观察到来自黑洞视界的光，就能看到空间本身的量子结构。

不幸的是，到目前为止，想要制造一个黑洞的想法仍然是不切实际的，所以没有人能够做这个实验。但是，自20世纪70年代初以来，人们已经做出了一些不同寻常的预测，即如果能够探测到来自黑洞外区域的光，我们将会看到什么。这些预测就是将相对论和量子力学结合起来的第一个理论体系。接下来的三章将专门讨论这些预测。 FY3wIg9mPl1tKQW1pMLVw5dOUKSQqJuorAHPt0gUxwD9ICYPVeZMhzae/P6ch08f