北京時間2月26日消息，據國外媒體報導，黑洞是宇宙中最奇特的現象之一。在這篇文章中，我們準備先將黑洞作為經典物理理論中的一類物體來討論，即不考慮其可能擁有的量子效應及結果。就目前來說，其背後的經典理論便是愛因斯坦的引力論。它將空間與時間描述成一系列的場，其行為由愛因斯坦的等式決定。
自然有人會問，該理論是如何描述一個巨大球體（比如恆星）周圍的空間和時間的？科學家卡爾•史瓦西（Schwarzschild）給出了答案。該理論在任何靜態球體周圍都成立，並且最關鍵的是，僅取決於物體質量。然而，如果該物體的質量全部局限在特定半徑之內（名叫史瓦西半徑），就會發生非常奇特的現象。接著，在史瓦西半徑劃出的邊界上，所謂的事件視界就會形成，黑洞便隨之誕生。
在討論黑洞的奇異性之前，讓我們先來談一談黑洞形成的條件。史瓦西半徑rs和質量M之間的關係非常簡單，彼此成正比：rs = a x M。如果用標準單位進行測量，這裡的a數值非常小。例如，對於一個質量與地球差不多的物體來說，其史瓦西半徑只有9毫米左右！目前還沒有任何已知的物理過程能夠把地球壓縮成這麼小的體積，而且宇宙中也不大可能存在質量只有地球這麼大的黑洞。而如果我們考慮更大質量的天體，情況就不一樣了，因為天體質量越大，史瓦西半徑之內的體積增長得就越快，即容納該天體全部質量的空間增長得就越快。比如說，假如天體質量增加一倍，容納其全部質量的空間就會變為原來的八倍。因此天體質量越大，就越容易形成黑洞。科學家已經知道，在巨大恆星生命末期，會有一些機制使其轉化為黑洞。而當這些由恆星形成的黑洞發生合併時，還會形成質量更大的黑洞。
再說回黑洞的奇異性。其實，如果我們離黑洞足夠遠的話，黑洞和其它質量相同的天體並沒有太大不同。唯一值得一提的不同之處在於，黑洞不會發出任何光線。有趣的是，如果我們靠近黑洞，時間對我們而言便會流逝得越來越慢。但這種效應無法被直接檢測到。不管我們帶上什麼時鐘，從我們的角度來看，它們的運作都完全正常。只有當我們從黑洞返回後、與黑洞遠處的時間進行比較，才能看出區別來。事實上，任何巨大天體都會產生這一效應，不只是黑洞獨有的特徵。愛因斯坦的等式描述了時間的表現方式，在球體之外，時間的流逝僅與天體質量有關。但對其它天體而言，我們可以真正接近、甚至進入該天體。一旦到了天體內部，時間的流逝便會受其內部的特定情況影響。像時間膨脹這樣的效應不會無限制增加。但隨著我們離黑洞越來越近，該效應的確會無限制增加，直到我們到達前面提到的事件視界為止。
穿過事件視界會產生嚴重後果。假如我們認真考慮無限時間膨脹這種可能性，當我們穿越事件視界的一瞬間，對視界外的一切物體而言，時間都頓時流逝一空，一切物體都就此終結。而我們一旦進入黑洞，便再也無法回頭。這點在史瓦西的半徑理論中體現得非常明顯。在黑洞外的世界中，時間只能向前行進，這是愛因斯坦理論的基本特徵。而在事件視界之內，時間只能沿徑向前進，也就是說，我們只能遵循這一方向，不斷朝黑洞中央進發。這條路絕對有去無回，就連人類能想像出的最強大的火箭也無法阻止我們朝黑洞中央飛去。到了黑洞中央，引力將強大到無法想像，最終黑洞的量子特徵和引力本身都必將露出其真面目。
不過，黑洞的其它量子特性倒是可以被早早觀測到。下文中將對此討論一二。
與量子世界和信息處理的聯繫
上文提到，史瓦西對愛因斯坦等式給出的答案僅取決於天體質量。但當該天體坍縮成為黑洞時，與其有關的一切信息會如何呢？天體由多種粒子構成，有特定的溫度、物質分布、輻射譜線等等，這些都是天體擁有的信息。如果只考慮經典世界，那麼在黑洞形成之後，這些信息都將被隱藏在事件視界之後。這樣一來，黑洞外的人就徹底無法追蹤這些信息了。在經典世界中，這並不是個大問題。頂多是無法獲取這些信息有些遺憾而已，但並不會影響該理論的一致性。
但我們知道，這個世界並不是一個經典意義的世界，我們對量子理論的了解也已經初具規模。霍金利用量子理論證明，黑洞事件視界附近的量子效應可以使粒子持續不斷地從黑洞中向外流出。黑洞會發出輻射，因此長此以往，質量必定會有所減少。如果等得足夠久，黑洞最終要麼會完全蒸發，要麼留下些許殘餘。
那麼在黑洞蒸發之後，其中的信息都去了哪裡呢？在對黑洞的描述中加入一些「量子性」之後，這個問題就顯得非常重要了。如果對量子信息妄加處理，很容易破壞理論的一致性。比如說，信息必須在黑洞內部迅速傳播開來，否則量子態就可能得到複製，而這在任何具有一致性的量子理論中都是被絕對禁止的。說實話，對於黑洞如何處理量子信息的問題，物理界尚未達成一致。有一種可能性是，這些信息也許隱藏在霍金輻射中。如果我們能等得足夠久，收集到足夠多的霍金輻射，也許就能從中找回我們想要的所有信息。不過，這又會牽涉到更多不切實際的實驗。如果能找到一種令人信服、自洽、並且與量子世界有所關聯的黑洞描述，將是我們朝用量子理論描述引力邁出的重要一步，也將是理論物理學邁出的最重要的一步之一！
最後再來談談量子效應對黑洞的重要性。假設有一個質量為太陽四倍的、由恆星形成的普通黑洞，其霍金輻射換算成的溫度大概只比絕對零度高几億開爾文。因此量子效應對該黑洞的日常物理表現幾乎沒有任何影響。任何由恆星形成的（甚至質量更大的）黑洞都是如此。接下來，再想像有一枚重約5克的硬幣。這枚硬幣的量子效應對它的物理表現也沒有重大影響，其物理表現幾乎完全可以用經典理論來解釋。不過，假設有一個質量和這枚硬幣差不多的黑洞，情況就大不一樣了。作為一個（部分程度上）的量子物體，它在須臾之間就會輻射、蒸發殆盡。而在其質量轉化為能量的過程中，會創造一場強度達廣島原子彈3倍的巨大爆炸。在這種情況下，黑洞的量子效應便會發揮巨大作用，並且比在一般情況下早得多。（葉子）