"掉進黑洞後，你會看到什麼？"
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黑洞的起源與發現
黑洞這個詞大概現在的三歲小孩也聽到過，它的名氣實在是太響了。但是，能夠正確理解黑洞到底是什麼的人其實並不多，對黑洞的各種誤解也是普遍存在的。我要用三節的篇幅給你講講黑洞之謎。
我們先從對黑洞最樸素的理解開始，一點一點走進真實的黑洞。牛頓發現了萬有引力定律，解釋了為什麼地球上的每一個人都覺得自己是頭朝上腳朝下，也解釋了月亮為什麼不會掉到地面上。
我們每一個人都受到來自地球的吸引力，但這個吸引力其實並不是那麼強大，我們只要雙腳一用力，就能跳起來，短暫地對抗地心引力。起跳的初速度越大，我們就能蹦得越高，在空中停留的時間也越長。當年，牛頓就計算出來，如果我們起跳的速度能達到 7.9 公里/秒的話，那麼，我們就永遠也不會掉回地球了，我們會成為地球的一顆衛星，繞著地球轉，就像月亮那樣。而這個速度被稱為"第一宇宙速度"，也叫"環繞速度"，就是要成為一顆環繞地球運動的衛星所需要的最小速度。理論上來說，任何星球都有屬於自己的環繞速度。
那這個 7.9 公里/秒的數值是怎麼計算出來的呢？
實際上，這個數值是根據牛頓的萬有引力定律的公式推導出來的，它只跟兩樣東西有關，那就是星球的質量和體積，與我們自己本身有多重沒有關係。環繞速度與星球的質量成正比，與體積成反比。太陽的質量和體積都要比地球大得多，太陽的環繞速度是 220 公里/秒，當然，這個速度是相對於太陽的速度，而不是相對於地球的速度。你看，這個數值就比地球的環繞速度的數值大了很多。這些知識，人類在牛頓時代就已經搞得清清楚楚了。
200 多年前，有一位叫拉普拉斯的天體物理學家，有一天突發奇想，他想，假如有一個天體的環繞速度超過了光速，那麼，豈不是連光都無法從這個天體上跑出來了嗎？
拉普拉斯
那這個天體豈不是變成全黑的了嗎？他還動手大致算了算，太陽的半徑如果縮小到只有 3公里，這意味著體積要縮小萬萬億倍，就會成為這樣一顆不發光的恆星。但拉普拉斯僅僅只是隨便想了想，並沒有深究，他認為宇宙中不會有這樣的恆星存在，只是一種純粹的數學計算罷了。後來，他又知道了光是一種波，而不是由一個個有質量的微粒構成的。所以，拉普拉斯就更覺得自己是胡思亂想了。
用拉普拉斯的這種想法來理解黑洞是一種最樸素的方法，也是大多數人理解到的層次，但是，這卻並不是對黑洞的正確理解，接下去，我要給你講一些高級貨。
拉普拉斯之後，光陰如梭，一晃就 100多年過去了，時間走到了 1915 年，愛因斯坦大神把人類對宇宙的認識推進到了一個遠超牛頓的境界。大神告訴人們，萬有引力只是時空彎曲的一種表現形式罷了，牛頓的萬有引力只是對時空彎曲本質的一個近似公式，如果太陽的半徑真的縮小到了只有 3 公里，那萬有引力公式就不適用了。要真正把時間、空間、運動、引力這些東西的相互關係給搞清楚啊，那就必須要用到一個超級燒腦的方程式，這就是愛因斯坦場方程，愛因斯坦的理論就是大名鼎鼎的相對論。
1915年，正值第一次世界大戰時期，在德國和俄國交戰的前線，有一位年輕的德國炮兵上尉，他的名字叫史瓦西，他看到了愛因斯坦那個超級燒腦的方程式後，本能地就愛上了它，當其他物理學家還在質疑這個方程的時候，史瓦西已經開始了默默的計算。他花了很長的時間，終於找到了愛因斯坦場方程的一個特殊解。他發現了一個驚人的情況，這個情況和拉普拉斯當年發現的情況有著異曲同工之處。
史瓦西根據相對論計算出來，如果把太陽壓縮到半徑 3 公里，或者把地球壓縮到只有一個巧克力豆那麼大，這時，在地球或者太陽中心點的時空就會被彎曲到無窮大，就好像時間和空間在這個地方打了個結。沒有任何東西能夠從它們的表面逃脫，連光也不例外，這倒不是因為光速小於環繞速度。
其實，在這種情況下，已經不存在環繞速度的概念了。而是因為時空在這個地方被彎曲成了一個深深的洞，光掉進去了就再也找不到出口了，事實上，根本就不存在出口。後來，科學家們就把這樣一種奇怪的天體稱作"黑洞"。因此，黑洞實際上不是一個洞，在天文學上，它是一個有質量的天體。
黑洞是我們這個宇宙中已知的最奇怪的一種天體。我們永遠也無法看到黑洞裡面的樣子，因為在那裡面，時間和空間已經打成了一個結，也可以說，時間和空間都不復存在了。黑洞就像宇宙中的一個吸塵器，不斷地吞食著一切靠近它的物質，而且吞進去了就別想再跑出來。
實際上，黑洞比你想像的還要怪異。所謂黑洞的大小，只是黑洞的中心到邊界的大小。在這個黑乎乎的區域中，其實是空無一物的。那你可能要感到很奇怪了，物質都跑到哪裡去了呢？其實啊，我剛才說把地球壓縮到一個巧克力豆那麼大，真實的情況是，一旦當地球被壓縮到巧克力豆那麼大時，就沒有任何力量能夠阻止地球繼續收縮了，只留下一個黑洞洞的外殼。那麼，地球上的物質到底跑到哪裡去了呢？我只知道它們會一直一直收縮下去，永遠停不下來。你一定要讓我告訴你到底最後會怎麼樣，我只能回答你，對不起，我想到一半就已經昏迷不醒了，求你別問了。如果你去問科學家，他們可能會這樣回答你，這些物質最後都會收縮成一個非常非常奇怪的點，我們就把這個點叫"奇點"。
正因為這樣，當黑洞剛剛被提出來的時候，幾乎沒有人相信宇宙中真的會有這樣奇怪的天體。後來，著名的物理學家霍金和別人一起發現，似乎宇宙中出現這樣的一種奇怪天體是不可避免的。隨著相對論被一個又一個的實驗所證實，更加堅定了科學家們的信念。但是，科學精神有一條非常重要的原則，那就是"非同尋常的主張，需要非同尋常的證據"。黑洞顯然是一個非同尋常的主張，那就必須要有非同尋常的證據。要最終證明黑洞的存在，必須要找到天文觀測的證據。於是，天文學家們開始了艱苦卓絕的努力。在幾十年以前，黑洞的真實性一直是天文學中最大的未解之謎。
直到上世紀七十年代，天文學家們才普遍猜測有一個過去一直搞不明白的奇怪天體很有可能就是黑洞。這個天體距離地球大約 6000 光年，放出非常強烈的 X 光。你可能會奇怪，不是說黑洞不發光嗎？怎麼又會放出強烈的 X 光呢？這是因為物質在向黑洞的墜落過程中，會形成一個圍繞著黑洞的大漩渦，這被叫做吸積盤，因此 X 光不是黑洞發出來的，而是吸積盤中的氣體高速摩擦發出來的，這些 X 光可以看成是黑洞存在的間接證據，但並不是直接證據。
黑洞·吸積盤
但即便是這樣的間接證據也是很罕見的。我能查到的公開資料顯示：
截止到 2007 年，天文學家們努力了半個多世紀，也僅僅只找到了 17 個黑洞候選者。第一份黑洞存在的直接證據一直要到 2015 年 9 月 14 日才出現。那一天，位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個引力波信號。經過 8 個月的分析論證後，在 2016 年 6 月 16 日清晨，美國科學家正式向全世界宣布： 這個持續了僅僅不到 2秒的引力波信號正是兩個黑洞併合產生的引力波信號，在茫茫宇宙中穿行了 13 億年，才抵達地球，恰好被人類捕捉到。
從黑洞存在之謎被提出到解決，恰好過去了 100 年，但人類對黑洞的研究其實才剛剛起步，因為，科學家們發現，關於黑洞，還有更多的未解之謎在等待著解答。
黑洞內部什麼情況？
關於黑洞，所有人最想知道的第一個謎題就是，黑洞的內部到底有什麼？當然，這樣的問法可能並不是十分嚴謹，比這更好的問法是：如果我們能穿過黑洞的視界面，會遇到什麼情況呢？
這個問題，一直是幾十年以來，天體物理學家們致力解決的重大謎題之一。
要把這個問題講清楚，我們要從黑洞的物理性質說起。黑洞是目前人類已知的，宇宙中最簡單的天體，只需要用三個物理參數就可以描述一個黑洞，它們是：
- 質量
- 角動量
- 電荷。
- 質量決定了黑洞的大小，但一個黑洞質量一定是大於零的。
- 角動量是任何旋轉的物體所具有的一種物理量，黑洞的角動量可以是零，就表示該黑洞不旋轉。
- 電荷就是衡量物體帶電多少的一個物理量，黑洞的電荷也可以為零，表示該黑洞不帶電。
這樣一來，我們就可以根據是否帶電和是否旋轉來把黑洞分成四種，也就是：
- 第一種：不帶電不旋轉
- 第二種：帶電不旋轉
- 第三種：不帶電旋轉
- 第四種：又帶電又旋轉
現代的理論物理學家們已經可以用數學建模和計算機模擬的方式來推測黑洞內部大概是一種什麼情況。
我們先來看第一種，也是最簡單的一種黑洞，不帶電不旋轉的黑洞，這種黑洞是一位叫史瓦西的物理學家最先提出來的，因此也被稱為史瓦西黑洞。這種黑洞實在是太簡單了，它只有唯一的一個參數，那就是質量。
如果我是一個外部觀察者，看著你駕駛著飛船飛向史瓦西黑洞，我會看到你的動作隨著接近黑洞，就會變得越來越慢，因為黑洞附近的時間會變得越來越慢，我看到你的顏色也越來越紅，因為光的頻率被扭曲的時空越降越低，頻率越低，我們人眼睛就會覺得顏色越紅。到了黑洞的視界面上，光的頻率已經被降到無限低了，所以，這裡也叫做無限紅移面。請記住這個名詞，後面還要頻繁出現。
對於史瓦西黑洞，視界面也就是無限紅移面。當飛船接近黑洞的過程中，會被黑洞的潮汐力拉長，黑洞越小，潮汐力反而越大，飛船也會被拉的越長，超過一定的臨界值，飛船就會被扯碎。我們現在假設你飛向的是一個超大質量的史瓦西黑洞，你不會被潮汐力扯碎，這時，如果鏡頭回到你自己身上，你又會看到什麼呢？
實際上，你並不會有太多的感覺，時間和空間從你的角度來看，都依然是正常的，只是如果你回頭看宇宙背景的星光，會變得越來越藍。你會看到一個黑乎乎的黑洞視界面離你越來越近，穿過視界面的一剎那，你不會有任何感覺，除了飛船上的電子儀器會發現來自宇宙中的一切電磁波信號逐漸減弱，直至全部消失。飛過視界後的情況科學家們就有分歧了。一些量子物理學家認為，飛過視界後，你馬上會遇到一堵火牆，你會被燒的連渣也不剩。但另一些廣義相對論學家認為，你會繼續安然地朝著黑洞的中心，也就是奇點不可逆轉地飛去。
注意，此時的不可逆轉不是因為你的飛船無法掉頭往外飛，而是時間的箭頭指向了奇點，不論你做什麼，時間都是不可逆轉的，它一定把你帶向奇點。而且，不論黑洞的質量有多大，黑洞在你身上引起的潮汐力一定是隨著靠近奇點而增大的，你和你的飛船遲早要被徹底扯碎成一個個的基本粒子，最後都被奇點無情地吞入。到底你是會被火牆燒死還是被潮汐力扯碎呢？對不起，這是一個宇宙未解之迷。
說實話，史瓦西黑洞一點都不好玩。好在，宇宙中也是最不可能出現史瓦西黑洞的，因為要出現這種黑洞的條件極為苛刻，或許只有在宇宙大爆炸時才會誕生，又或許宇宙中壓根就不存在這種黑洞。另一種帶電不旋轉的黑洞就要有趣得多。這種黑洞也被叫做 R-N 黑洞，以兩位科學家姓名的首字母命名。
R-N 黑洞與史瓦西黑洞不同，它有兩個視界面。當你穿過最外層的視界後，就會進入一個叫單向膜區的空間，這個空間的時間箭頭指向黑洞的中心奇點，所以它是單向的，你不可能再出去了。
在飛向奇點的過程中，你會撞到第二層視界面，也就是內視界面。進入內視界面以後，這裡邊是正常的時空，不是單向膜區，但是如果你想湊近奇點看看的話，你會發現，一股斥力推著你，死活不讓你靠近，你想撞也撞不上去。過一會兒你發現事情不對勁了，時間似乎循環了。簡而言之，你走了一個"閉合類時線"。
閉合類時線
這是物理學上的一個術語，表示四維時空沿著時間方向完成了一個閉環，形成了一個時間圈環，奇怪的事情將不可避免地發生，你將永遠陷入時間循環中。但是，時間循環會產生討厭的祖母悖論，會破壞很多科學家心目中神聖的因果律法則。
祖母悖論
所以，就有一些科學家堅持，一定還有尚未發現的物理法則阻止這種情況的發生，R-N 黑洞的內部並不是我前面描述的那樣。那 R-N 黑洞的內部到底是怎樣呢？不知道，這是未解之謎啊。
上世紀六十年代，物理學家克爾又計算出了一種與 R-N 黑洞剛好相反的黑洞類型，R-N黑洞是帶電不旋轉，克爾黑洞則是一個旋轉不帶電的黑洞。
克爾黑洞
不久之後，在克爾黑洞的基礎上，物理學家紐曼計算出了又帶電又旋轉的黑洞，這種黑洞就叫克爾-紐曼黑洞，這兩種黑洞大同小異，因此我們放在一塊來說。
- 首先，旋轉的黑洞是個扁球，不是圓的。因為一旋轉，赤道就鼓起來了，我們地球也是赤道比兩極略鼓。
- 第二是無限紅移面跟外視界分離了。無限紅移面在赤道鼓出去一塊。
- 第三是內部有個沙漏狀的內無限紅移面，裡面是正常時空。內外兩個視界面之間是單向膜區。這個沙漏的喉部有個奇環，而不是奇點。在無限紅移面和外視界面之間，有個非常神奇的能層。注意，這個能層實際還是黑洞的外部，並沒有越過黑洞的視界。
如果在能層中，飛船有一大塊零件掉了下來，掉進了黑洞，這時候你會感到一股強大的動力就把你從能層裡面給踢出來了。外部觀察者會看到飛船被彈出了能層，飛離了黑洞範圍。電影《星際穿越》中飛船逃離黑洞就是利用了這個原理，男主不幸地充當了那個掉入黑洞的零件。
剛才這個過程，它的原理並不是牛頓第三定律，也就是作用和反作用力，扔出一塊零件，如果按照牛三定律，產生的推力是極小的。這個原理最先是英國物理學家彭羅斯算出來的，叫"彭羅斯過程"。我們平常扔出一個球，這個球擁有的能量總是正的。但是在克爾-紐曼黑洞的能層裡面，這個球的動能居然是負的。但能量守恆定律不會變，所以一個物體，分裂成兩半。一半帶有負能量，另一半必定能量增加。飛船掉進克爾-紐曼黑洞的能層會被彈出來，道理就是如此。
如果你沒有及時地扔出個零件，那麼你肯定會掉進克爾-紐曼黑洞的視界裡面。接下去發生的一切，就純屬理論猜想了。
穿過視界面，就進入單向膜區。鑽黑洞，我們不是第一回了。單向膜區之前已經解釋過，不被拉成麵條就是萬幸，至於拉成蘭州風格的還是義大利風格的，要看黑洞內部的穩定性。穿過單向膜區，通過內視界面、內無限紅移面，就會來到奇環附近。這裡面有一個正常的時空，人可以存活。科學家們猜想，奇環可以把你傳送到了另一個宇宙中。這個宇宙可能是以斥力為特徵的非常奇怪的一個宇宙。總之，這一切都還是宇宙未解之謎。
但有一點幾乎可以肯定，不管是哪種黑洞，進去了就永遠不可能回到同一個宇宙了。黑洞的謎題還沒完，咱們下節接著聊。
黑洞蒸發和信息守恆
黑洞這個概念在被提出的很長一段時間中，科學家們都認為黑洞就像是這個宇宙中的吸塵器，只進不出，它會伴隨著宇宙一直存在下去。然而，英國物理學家霍金卻對這個觀念發起了挑戰。這是怎麼一回事呢？
原來，那些專門研究微觀世界的科學家們發現，我們過去認為的真空其實並不是空無一物的。在真空中，總是會有有一對一對的虛粒子不斷地湧現出來，它們一個帶有正能量，一個帶有負能量，在極短極短的時間內，正負粒子又相互碰撞湮滅。我們打個比方，你在太空觀察地球的海洋，你會發現海洋就像是光滑的玻璃珠的表面，當你下降到飛機航班的高度，你會看到微小的波紋。當你下降到海平面上，你會看到滔天的巨浪。真空就像是海洋，測量越是精細，真空的變化就越是劇烈。所謂的真空，其實就是一鍋沸騰的虛粒子海洋，不斷翻滾著虛粒子的泡沫和浪花。
這個研究成果，給了霍金極大的啟發，有一天，他突然想到，假如真空是虛粒子的海洋的話，那麼黑洞就不可能一直穩定地存在了，黑洞有可能會像水滴一樣蒸發掉。霍金是怎麼想的呢？
我之前說過黑洞那個黑乎乎的外殼叫做視界面，任何東西越過了視界面就別想再跑出來了。霍金是這樣想的，如果在黑洞的視界面上突然生成了一對粒子。本來它們會再次碰撞相互抵消。但是，事不湊巧，那個負能量粒子掉進了黑洞視界面，正能量粒子在外邊。因此它們再也無法見面，再也無法相互抵消了。於是這兩個虛粒子就變成了真實的粒子。
- 黑洞吃掉一個負能量粒子，自己的質量也就減少了一分。
- 正能量粒子看起來就好像是從視界面上被發射出來一樣。
- 整體上看，就像是黑洞在不斷地放出輻射，在不斷地變小。
霍金管這個過程叫做"黑洞蒸發"，這種輻射也被科學界稱為"霍金輻射"。
如果一個物體能放出輻射，那麼就意味著它有溫度。霍金計算出黑洞的溫度和大小有關係。普通物體是溫度越高放熱越厲害，溫度下降越快，最終和外界達到熱平衡了。比如，一杯熱茶，放在那裡你不去管它，最後溫度總是會和周圍的環境保持一致。但是，黑洞卻很奇怪，它越是放出熱量，反而溫度會上升，因此黑洞是無論如何也不可能和外界達到熱平衡的。越是小的黑洞溫度反而越高，這也就意味著黑洞最終的命運都是蒸發殆盡。
霍金的這個想法結合了相對論和量子力學，具有開創性，所以，霍金也因為這個成就邁入了頂尖物理學家的行列。
不過，霍金輻射到底是不是真的，到目前為止依然是一個世界未解之謎，因為我們人類從來沒有觀測到這種輻射，原因在於這種輻射極其微弱，微弱到以人類目前的科技水平，根本不可能檢測到一個遙遠黑洞發出的輻射。而黑洞的蒸發速度又極為緩慢，以人類現有的觀測技術，我們也不可能在有生之年檢測出一個黑洞的質量在逐步縮小。這也是為什麼霍金名氣那麼大，卻沒有獲得諾貝爾物理學獎，原因還是在於我經常說的那句話，非同尋常的主張就需要非同尋常的證據。霍金的理論雖然從數學上來說，極為大膽創新，可是還沒有證據。
霍金輻射還引出了另外一個有關黑洞的未解之謎，這被稱為黑洞信息悖論。所謂悖論，就是兩個觀點互相矛盾的意思。為了把這個問題給你講清楚，咱們要先來了解一下物理學家嘴裡所說的信息是什麼含義？
按照最簡單的一種定義，信息就是能減少事物的不確定性的性質。我們來打個比方，對於一塊蛋糕，你可以舔一舔嘗嘗是甜的還是鹹的，你可以掂量一下重量，你還可以看到它的顏色，這些都是信息。信息越是豐富，不確定性也就越少。假如你把蛋糕扔進黑洞，那麼你就什麼也無法知道了，不確定性幾乎達到最高。我們人的感官有限，很多信息擺在我們面前我們也感知不到，一段文字被加密，儘管信息沒有少，我們照樣看不懂。但是，你從基本粒子的角度去看，你會發現信息變來變去，總數其實並沒有少掉。因為，不論物質變成什麼樣的形態，不過就是基本粒子的排列組合。
基本粒子總是遵守一系列的守恆定律，比如能量守恆。能量不能被創造也不能被消滅，總是從一個狀態變成另一個狀態。因此呢，大多數物理學家就認為，信息也是守恆的，一個量子所包含的信息是不能被複制的，也不能被消滅。不過，這裡經常會產生一個誤解，物理學家們談論的信息守恆，準確地說，我的理解是信息量守恆。如果把《時間的形狀》這本書給燒掉，那麼，書上所表達出來地球人能理解的那些內容信息都消失了，但是，內容是人的主觀賦予的，並不是一種客觀實在的物理性質，書上的內容雖然消失了，但是組成這本書的每一個基本粒子的所有物理性質卻不會消失。因此，從基本粒子的角度來說，信息量是守恆的。
現在我們把一本書扔進黑洞，這本書的信息量還守恆嗎？過去，科學家們認為，還是守恆的，雖然我們搞不清黑洞內部的情況，但信息還是應該以某種形式存在的。現在好了，霍金先生搞出了一個霍金輻射，說黑洞最終會蒸發殆盡的。那這麼一來，豈不是這本書的信息就永遠消失了嗎？
於是，很多搞量子研究的科學家非常反對黑洞蒸發的理論，不光是因為信息守恆被破壞，更要命的是，如果信息守恆被破壞，還會破壞另外一個看上去更天經地義的法則，那就是概率的總和是 100%，你拋硬幣，正反面出現的概率加起來如果不是 100%，這不是見鬼了嗎？
面對這樣的質疑，霍金的態度也很強硬啊，他說，信息守恆不是金科玉律，誰說信息一定要守恆啊。為此，霍金還跟人打賭，可是過了 7 年，也就是到了2004年，霍金公開認輸，他說自己搞錯了，信息是守恆的。但是他說黑洞蒸發理論沒錯，關鍵在於，以前我們認為黑洞蒸發，所有的信息也跟著蒸發消失了，其實不是。其他物理學家也發現，霍金輻射是可以把信息從黑洞裡帶出來的。這樣一來，黑洞蒸發並不破壞信息守恆法則。
實際上，解決黑洞信息矛盾的辦法還有一些，有的科學家認為，黑洞的表面就是一張全系膜，別看是二維的，掉進去的東西包含的信息其實都記錄在了這張二維的膜上。信息沒有進入黑洞，當然就是守恆的。
也有人說，物質掉進黑洞之前會撞上一道火牆，會把物質燒到渣都不剩。這樣信息就留在了黑洞之外。也有人說，黑洞附近的時空太特殊了。你要是掉進黑洞的話，你會感覺穿透了視界面，但是遠方的觀察者會覺得你被燒毀了。因為觀察位置不同，看到的結果也是大相徑庭的。
霍金在晚年時，對很多理論都做了修正，他認為過去的很多計算只是考慮了極端情況。所以在網路上常常能見到諸如霍金被推翻、霍金認錯之類的標題黨，其實他只是做了一部分修正。
總之，到現在為止，黑洞蒸發到底會不會破壞信息守恆，依然還是個未解之謎，因為沒有辦法做實驗驗證。
物理學史上各種反轉的案例並不少見，例如引力波就經歷過從提出到被否定又被證實的曲折過程。黑洞蒸發是否打破信息守恆的問題，現在還很難下一個結論。但這不奇怪，科學就是這樣在不斷的質疑和探索中一步一步向前邁進的。
