北京時間2019年4月10日21點公布的人類首張黑洞照片
據說事實有時候比小說更奇怪，而且找不到比黑洞的情況更能真實地體現這一點的了。黑洞比科幻作家夢想的任何東西都更奇怪，但它們是堅實的科學事實。
1783 年，劍橋人約翰·米歇爾首次討論了黑洞。他的論證如下：如果一個人垂直向上發射一個粒子，諸如一個炮彈，它會由於引力而減速。最終，粒子將停止向上運動，並將回落。
然而，如果最初的向上速度大於某個臨界值（稱為逃逸速度），則引力永遠不會強到足以阻止粒子，它就會逃脫。地球的逃逸速度僅稍大於每秒 11 千米，而太陽的逃逸速度約為每秒 617 千米。
兩者都是遠遠高於真正的炮彈的速度。但它們與光速相比又較低，光速是每秒 30 萬千米。因此光可以輕而易舉地離開地球或太陽。
然而，米歇爾認為可能存在質量比太陽大得多的恆星，其逃逸速度比光速還大。我們將無法看到它們，因為它們發出的任何光都會被引力拖曳回來。
因此它們被米歇爾稱為暗星，而我們現在稱之為黑洞。
為了理解它們，我們需要從引力開始。愛因斯坦的廣義相對論描述了引力，這是一個空間和時間的，也是引力的理論。空間和時間的行為受制於一組稱為愛因斯坦方程的方程，那是愛因斯坦於 1915 年提出的。雖然引力是迄今為止已知的自然力中最弱的，但它有兩個比其他力更關鍵的優勢。首先，它的作用是長程的。太陽距離我們 9300 萬英裡，它將地球保持在軌道上，而太陽被保持在圍繞銀河系中心的軌道上，該中心大約在 10000 光年遠。第二個優勢是引力總是吸引的，不像電力，它可以吸引，也可以排斥。這兩個特徵意味著，對於一個足夠大的恆星，粒子之間的引力可以支配所有其他的力，並導致引力崩潰。儘管存在這些事實，科學界仍然未能很快地意識到大質量的恆星可能會在自己的引力作用下往自身坍縮，並弄清楚留下的天體會如何行為。
阿爾伯特·愛因斯坦在 1939 年甚至寫了一篇論文，聲稱恆星在引力作用下不能坍縮，因為物質不能被壓縮超過某種程度。許多科學家分享了愛因斯坦的直覺。美國科學家約翰·惠勒是主要的異見者，他在很多方面都是黑洞故事中的英雄。在他 20 世紀 50 年代和 60 年代的研究中，他強調許多恆星最終會坍縮，並探討了這對理論物理學帶來的問題。他還預見到坍縮恆星變成的天體——黑洞的許多屬性。
在一顆普通恆星超過數十億年壽命的大部分時間中，它將依賴把氫轉化為氦的核過程產生的熱壓來抵抗其自身的引力。然而，這顆恆星最終將耗盡其核燃料，恆星將收縮。在某些情況下，它可能成為白矮星，那是恆星核心的密集殘餘。然而，1930 年，蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡證明白矮星的最大質量約為太陽的 1.4 倍。俄羅斯物理學家列夫·蘭道計算出一個類似的最大質量，適用於完全由中子構成的恆星。
那些質量大於白矮星或中子星最大質量的無數恆星，一旦耗盡了核燃料其命運將會如何？後來因原子彈成名的羅伯特·奧本海默研究了這個問題。1939 年，他在和喬治·沃爾科夫與哈特蘭·斯奈德合作的兩篇論文中，證明了壓力不可能支持這樣的恆星。而如果人們忽視壓力，均勻的球狀對稱的恆星就會收縮到一個無限密度的點。這樣的點被稱為奇點。我們所有的空間理論都是在基於時空是光滑的、幾乎平坦的假設之上而表述的，所以它們在奇點處，即時空曲率無限處崩潰了。事實上，它標誌著空間和時間本身的終結。這正是令愛因斯坦非常反感的東西。
然後第二次世界大戰爆發了。包括羅伯特·奧本海默在內的大多數科學家，改為關注核物理，而引力坍縮問題基本上被遺忘了。隨著被稱為類星體的遙遠天體的發現，對這個論題的興趣又復活了。第一個類星體 3C273 於 1963 年被發現，許多其他類星體也很快相繼被發現了。儘管它們遠離地球，它們仍然很明亮。因為核過程作為純粹的能量只釋放出它們靜止質量的一小部分，所以這無法解釋它們的能量輸出問題。唯一的替代解釋是引力坍縮釋放的引力能量。
恆星的引力坍縮被重新發現了。當發生這種情況時，物體的引力將其周圍的所有物質向內吸引。很清楚，一個均勻的球狀恆星將收縮到無限密度的一點，即奇點。但如果這顆恆星不是均勻的球狀，將會發生什麼呢？這種恆星物質的不對稱分布是否會引起不均勻的坍縮，並避免出現奇點？在 1965 年的一篇引人注目的論文中，羅傑·彭羅斯證明，只要根據引力是吸引的這個事實，仍然會存在一個奇點。
愛因斯坦方程不能在奇點處定義，這意味著在這一具有無限密度的點上，人們無法預測未來。這意味著，只要一顆恆星坍縮就會發生奇怪的事情。如果奇點不是赤裸的，也就是說，它們對外界屏蔽的話，我們就不會受到預測崩潰的影響。彭羅斯提出了宇宙監督猜想：由恆星或其他天體坍縮而形成的所有奇點都隱藏在黑洞內部而不被看到。黑洞是引力太強以至於光線無法逃逸的區域。宇宙監督猜想幾乎肯定是正確的，因為許多證偽它的嘗試都失敗了。
約翰·惠勒在 1967 年提出「黑洞」這個術語，它取代了早先的「凍星」這個名字。惠勒的新造詞強調，坍縮恆星的殘餘本身就很有趣，和它如何形成無關。新名字很快就廣為流行。
約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler，1911 年 7 月 9 日—2008 年 4 月 13 日），美國物理學家、物理學思想家和物理學教育家。
從外面看，你不能知道黑洞裡面是什麼。無論你投入什麼，或者無論它如何形成，黑洞看起來都是一樣的。約翰·惠勒由於以「黑洞無毛」來表達這個原理而聞名於世。
黑洞有一個被稱為事件視界的邊界。正是在這個地方，引力剛好強到足以將光線拖曳回來並防止它逃脫。因為沒有東西可以旅行得比光快，所以其他一切也都會被拖曳回來。跌入事件視界有點兒像乘獨木舟越過尼亞加拉大瀑布。如果你是在瀑布上方，要是你足夠快速划槳離開，你可以逃脫落下的命運。但是一旦你越過邊緣就會完蛋，根本無法返回。當你越來越接近瀑布時，水流就變得越來越急。這意味著，拉獨木舟的前部的力比拉後部的力更強大，獨木舟會有被拉斷的危險。黑洞的情形也一樣。如果你的腳首先跌入黑洞，引力拉你的腳比拉你的頭更厲害，因為腳離黑洞更近。結果你的縱向被伸展，而橫向被壓扁。如果黑洞的質量是我們太陽的幾倍大，在到達視界之前，你就會被撕裂，變成義大利麵條。然而，如果你陷入了一個大得多的黑洞，其質量超過太陽的 100 萬倍，那麼作用到你整個身體的引力拉力將是相同的，你就會毫無困難地到達視界。所以，如果你想探索一個黑洞的內部，一定要選擇一個大黑洞。在我們的銀河系中心有一個黑洞，其質量約為太陽的 400 萬倍。
儘管當跌入黑洞時，你不會注意到任何特別的東西，但是從遠處看你的人永遠不會看到你越過事件視界。相反的，你似乎會放慢速度並在外面盤旋。你的形象會越來越暗淡，越來越紅，直到你實際上從視線中消失。就外部世界而言，你將永遠逝去。
在我的女兒露西出生後不久，我有了一個尤裡卡時刻。我發現了面積定理。如果廣義相對論是正確的，並且物質的能量密度是正的，就像通常這種情況，那麼事件視界，即黑洞的邊界的表面積，具有當額外物質或輻射落入黑洞時總是增加的性質。此外，如果兩個黑洞碰撞並合併成一個黑洞，則圍繞被產生的黑洞的事件視界的面積大於圍繞原先黑洞的事件視界的面積之和。面積定理可以通過雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）的實驗測試。2015 年 9 月 14 日，LIGO 探測到來自兩個黑洞的碰撞和合併的引力波。人們可以從波形估計黑洞的質量和角動量，並按照無毛定理確定視界面積。
這些性質暗示，在黑洞事件視界的面積和傳統的經典物理學，特別是熱力學中熵的概念之間存在相似之處。熵可以被視為對一個系統的混亂的測度，或者相當於對其精確狀態的缺乏了解的測度。著名的熱力學第二定律說，熵總是隨著時間的推移而增加。這個發現是這個關鍵聯繫的第一個提示。
黑洞性質和熱力學定律之間的類比可以被擴展。熱力學第一定律說，一個系統的熵的微小變化伴隨著該系統的能量的成比例變化。布蘭登·卡特、吉姆·巴丁和我發現了一道類似的定律，它把黑洞質量的變化和視界面積的變化聯繫起來。這裡的比例因子涉及一個被稱為表面引力的量，它是在事件視界上的引力場強度的度量。如果人們接受事件視界的面積類似於熵，那麼似乎表面引力類似於溫度。事件視界上的所有點的表面引力都是相同的，這一事實使這個類似得到加強，正如處於熱平衡的物體的溫度處處相同一樣。
儘管熵與事件視界的面積之間存在清楚的相似性，但該面積如何被確認為黑洞本身的熵對我們並非顯而易見。黑洞的熵意味著什麼？雅各布·貝肯斯坦於 1972 年提出了關鍵的建議，當時他是普林斯頓大學的一名研究生。該建議是這樣的：當黑洞通過引力產生坍塌時，它迅速安定到一種靜止狀態，這種狀態由質量、角動量和電荷這三個參數來表徵。
這使得黑洞的最終狀態似乎與坍縮的天體是由物質還是反物質組成，或者它是球狀還是高度不規則形狀無關。換句話說，給定質量、角動量和電荷的黑洞可由大量物質的不同配置中任何一個的坍縮而形成。這樣看起來同樣的黑洞可能是由大量的不同類型的恆星坍縮形成的。確實，如果忽略量子效應，由於黑洞本身可以由無限多的質量無限小的粒子云的坍縮形成，配置的數目將是無限的。但是，配置的數目真的可以是無限的嗎？
眾所周知，量子力學涉及不確定性原理。它斷言，人們不可能同時測量任何物體的位置和速度。如果有人精確地測量某物的位置，那麼它的速度就是不確定的。如果有人測量某物的速度，那麼它的位置就是不確定的。在實踐中，這意味著無法對任何東西進行局域化。假設你想要測量某物的大小，那麼你需要找出這個移動物體終端的位置。你永遠不能準確地做到這一點，因為它將涉及測量該物在同一時刻的位置及速度。由此，則無法確定一個物體的尺寸。由於不確定性原理，你不可能準確地說出某物的大小真正是多少。其結論是，不確定性原理對物體大小施加了限制。經過些微計算後，人們發現，對於一個物體的給定質量，存在一個最小的尺度。對於重物而言，這個最小尺度很小，但是當看到越來越輕的物體時，最小尺度變得越來越大。這個最小尺度可被認為是在量子力學中物體可以同時被認為是波或粒子的這一事實的結果。物體越輕，其波長越長，因此更加分散。物體越重，其波長越短，因此看起來更緊湊。當這些思想與廣義相對論相結合時，意味著只有比特定重量更重的物體才能形成黑洞。這個重量與一粒鹽的重量大致相同。這些想法的進一步結果是，形成給定質量、角動量和電荷的黑洞的配置數目儘管可以非常大，但也還是有限的。雅各布·貝肯斯坦建議，從這個有限數目，人們可以解釋黑洞的熵。這就是在創生黑洞的坍縮期間似乎無法挽回喪失的信息量的測度。
照片公布前根據現有物理理論的計算機模擬黑洞圖像
貝肯斯坦建議顯然的致命缺陷是，如果黑洞擁有與其事件視界的面積成比例的有限的熵，那麼它也應該具有非零溫度，該溫度與其表面引力成比例。這意味著黑洞能與某一非零溫度下的熱輻射處於平衡。然而根據經典概念，不存在這樣的平衡，因為黑洞會吸收落在它上面的任何熱輻射，但根據定義不能夠反過來發出任何東西。它不能發射任何東西，也不能發射熱。
這就產生了有關黑洞——由恆星坍縮創造的令人難以置信的密集天體——的性質的一個悖論。一種理論建議，具有相同性質的黑洞可以由無限數目的不同類型的恆星形成。另一個建議說，這個數字可能是有限的。這是一個資訊理論問題——宇宙中的每個粒子和每個力都包含信息的思想。
因為正如科學家約翰·惠勒所說，黑洞無毛，除了它的質量、電荷和旋轉，人們無法從外面說出黑洞內部是什麼。這意味著，黑洞必須包含大量對外面世界隱藏的信息。但是能塞到一個空間區域的信息量有個極限。信息需要能量，而根據愛因斯坦著名的方程 E=mc²，能量具有質量。所以，如果在一個空間區域存在太多信息，它將坍縮變成黑洞，而黑洞的大小會反映信息量的多少。這就像把越來越多的書籍堆進圖書館。最終，書架就會垮掉，圖書館就會坍縮成黑洞。
如果隱藏在黑洞內的信息的數量取決於黑洞的大小，人們從一般原則能預期到黑洞會有一個溫度，並會像一塊熱的金屬一樣發光，但那是不可能的，因為正如每個人都知道的那樣，沒有任何東西可以擺脫黑洞。至少那時候都是這麼認為的。
這個問題一直持續到 1974 年初，當時我正在根據量子力學來研究黑洞附近物質的行為。令我十分驚訝的是，我發現黑洞似乎以恆定的速度發射粒子。和當時的其他人一樣，我接受了黑洞無法發出任何東西的定論。因此，我相當努力想擺脫這種令人尷尬的效應。但是我越深入思考，它越拒絕消失，最後我不得不接受它。最終讓我確信這是一個真實的物理過程的原因是，向外飛離粒子的譜恰好是熱的。我的計算預測，黑洞會產生並發射粒子和輻射，就好像它是一個普通的熱體一樣，其溫度與表面引力成正比，與質量成反比。這使得雅各布·貝肯斯坦提出的那個有問題的建議，即黑洞擁有有限的熵，完全自洽，因為它暗示黑洞可以在某個非零的有限溫度下處於熱平衡狀態。
從那時起，其他許多人採用各種不同方法，證實了黑洞發出熱輻射的數學證據。可以用以下的一種方法來理解黑洞發射。量子力學意味著整個空間充滿了成對的虛的粒子和反粒子，這些粒子和反粒子不斷成對出現、分離，然後再次聚集在一起，並相互湮滅。這些粒子被稱為虛粒子，因為它們與真實粒子不同，所以不能直接用粒子探測器觀察到。儘管如此，它們的間接影響仍然可以被測量到，而且已經由稱為蘭姆移位的小移動證實了它們的存在，蘭姆移位是它們在來自受激氫原子的光的能譜中產生的。現在，在存在黑洞的情況下，一對虛粒子中的一個可能落入該黑洞中，而另一個失去了要與其相互湮滅的夥伴。被拋棄的粒子或反粒子可能在其伴侶之後也落入黑洞，但它也可能逃逸到無限遠，在那裡它就呈現為黑洞發出的輻射。
另一種看待該過程的方法是將落入黑洞的該對粒子的一員，比如說反粒子，視為真正的正在時間中向後倒退的粒子。就這樣反粒子落入黑洞可以算是作為從黑洞出來但正在時間中向後倒退的粒子。當該粒子到達其反粒子對原先出現的那一點時，它被引力場散射，這樣它就在時間中前進。一個太陽質量的黑洞會以如此緩慢的速率洩漏粒子，其速率無法被檢測到。然而，可能會存在更小的迷你黑洞，比如具有一座山的質量。
這些可能已經在極早期宇宙中形成，如果那時宇宙是混沌和無規的話。山嶽大小的黑洞會發射X射線和伽馬射線，其功率約為 1000 萬兆瓦，足以為世界供電。
然而，利用迷你黑洞並不容易。你無法將它保存在發電站中，因為它會穿過地板掉落並最終結束於地球的中心。如果我們有這樣的黑洞，保持它的唯一方法是讓它在圍繞地球的軌道上運行。
人們一直在尋找這種質量的迷你黑洞，但到目前為止還未找到。這太可惜了，因為，如果他們找到，我就會獲得諾貝爾獎。然而，另一種可能性是我們可能在額外的時空維度上創造微小的黑洞。根據某些理論，我們所經歷的宇宙只是十維或十一維空間中的四維面。
電影《星際穿越》給出了一些有關這些思想的畫面。我們看不到這些額外的維度，因為光不能通過它們傳播，而只能通過我們宇宙的四個維度傳播。然而，引力會影響額外的維度，並且比在我們的宇宙中強得多。
這樣在額外的維度上形成一個小黑洞可能會容易得多。有可能在瑞士 CERN 的 LHC 大型強子對撞機上觀察到這一點。這包括一條 27 千米長的圓形隧道。兩束粒子以相反的方向圍繞該隧道行進並且被迫碰撞。一些碰撞可能會產生微黑洞。這些黑洞會以易於識別的模式輻射粒子。所以我終究可以獲得諾貝爾獎。
當粒子從黑洞中逃逸出來時，黑洞將失去質量並收縮。這將增大粒子的發射速率。最終，黑洞將失去其所有質量並消失。那麼落入黑洞的所有粒子和不幸的太空人會發生什麼呢？當黑洞消失時，它們不能就那麼重新出現。從黑洞中出來的顆粒似乎是完全隨機的，並且和落進去的是什麼無關。關於落進東西的信息，除了總質量和旋轉量外，似乎都丟失了。但如果信息丟失，這引發了一個直擊我們理解科學的核心的嚴重問題。
200 多年來，我們一直相信科學決定論。也就是說，科學定律決定了宇宙的演化。
如果信息真的丟失在黑洞中，我們就不能夠預言未來。因為黑洞可以發射任何粒子集合，它可能放出一臺正常工作的電視機或皮質精裝版的莎士比亞的全集，儘管這種奇異發射的可能性非常低。它發出熱輻射的可能性要大得多，正如熾熱的金屬發光。我們不能預言從黑洞會出來什麼似乎無關緊要。我們附近畢竟沒有任何黑洞。
但這是一個原則問題。如果決定論，即宇宙的可預測性因黑洞而崩潰，它在其他情況下也可能崩潰。可能存在虛擬黑洞，它表現為偏離真空的漲落。虛擬黑洞吸收一組粒子，發射另一組粒子，並再次消失在真空中。甚至更糟糕的是，如果決定論崩潰，我們也就不能確定我們過去的歷史。歷史書籍和我們的記憶可能只是幻想。正是過去告訴我們，我們是誰。沒有它，我們就失去了自己的本我。
因此，確定信息是否確實在黑洞中丟失，或者在原則上是否可以恢復信息非常重要。許多科學家認為信息不應該丟失，但多年來沒有人提出可以保持信息的機制。這種明顯的信息丟失，被稱為信息悖論，在過去的 40 年中一直困擾著科學家們，並且仍然是理論物理學中最大的未解決問題之一。
最近，隨著關於引力和量子力學統一的新發現，已重新喚起人們對信息悖論的可能解決方案的興趣。這些新近突破的核心是理解時空的對稱性。
假設沒有引力，而時空是完全平坦的。這就像一個完全沒有特色的沙漠。這樣的地方有兩種對稱。第一種稱為平移對稱性。如果你從沙漠中的一個點移動到另一個點，你就覺察不到任何變化。第二種是旋轉對稱性。如果你站在沙漠中的某個地方並開始轉身，你再次覺察不到所見有何不同。這些對稱性也是「平坦」時空，也就是在沒有任何物質的時空中具有的對稱性。
如果一個人把某物放進這個沙漠，這些對稱性就會被打破。假設在沙漠中有一座山、一片綠洲和一些仙人掌，那麼在不同的地方和不同的方向就顯得不同。時空也是如此。如果人們把物體放入時空，平移和旋轉對稱性就被破壞。而放入時空的物體也就是產生引力的東西。
黑洞是時空的一個區域，那裡的引力強大，時空被劇烈扭曲變形，所以人們可以預料它的對稱性被打破。然而，當人們遠離黑洞，時空的曲率就越變越小。在離開黑洞非常遙遠的地方，時空看起來非常像平坦時空。
早在 20 世紀 60 年代，赫曼·邦迪、A.W.肯尼思·梅茨納、M.G.J.範德堡和賴納·薩克斯就有真正卓越的發現，遠離任何物質的時空擁有稱為超平移對稱的無數集合。這些對稱中的每一個都和被稱為超平移荷的一個守恆量相關聯。守恆量是不會隨著系統的演化而改變的量。這些是人們更為熟悉的守恆量的推廣。例如，如果時空不隨時間變化，那麼能量就守恆。如果時空在空間的不同點處看起來相同，則動量就守恆。
發現超平移的非凡之處在於遠離黑洞之處存在無限數目的守恆量。正是這些守恆定律為引力物理中的過程提供了非凡和意想不到的洞察。
2016 年，我和我的合作者馬爾科姆·佩裡和安迪·斯特羅明格一起努力將這些新結果及其相關的守恆量用於尋找信息悖論的可能解決方案。我們知道，黑洞的三個可辨識特性是它們的質量、電荷和角動量。這些是早已被理解的經典的荷。然而，黑洞還攜帶有超平移荷。因此，黑洞可能擁有比我們最初以為的要多得多的荷。它們並不是禿頭或只有三根毛，實際上有非常大量的超平移的毛。
這些超平移毛可能會編碼有關黑洞內部有什麼的一些信息。這些超平移荷可能不包含所有信息，但其餘的可能會由一些額外的守恆量，超旋轉荷來解釋，後者與稱為超旋轉的某些額外相關的對稱相關聯，然而，對於它們我們還理解得不太透徹。如果以上所敘是對的，而關於黑洞的全部信息可以按照它的「毛」來理解，那麼信息也許沒有損失。這些想法剛剛被我們最近的計算所確認。斯特羅明格、佩裡和我以及研究生薩沙·哈科已經發現這些超旋轉荷也許可以解釋任何黑洞的全部的熵。量子力學繼續成立，而信息存儲在視界，即黑洞表面上。
黑洞仍然只由它們的整體質量、電荷和事件視界外的旋轉來表徵，但事件視界本身以某種方式，包含除了黑洞擁有的這三個特徵外有關落進的東西的信息。人們還在研究這些問題，因此信息悖論仍未解決。但我對此很樂觀，我們正趨向解決這個悖論。請關注此領域的進展。