我们仍然对黑洞悖论的一个关键问题一无所知

黑洞是宇宙中最奇怪的物体之一，但关于它的了解很少。通过研究黑洞在时空中产生的巨大涟漪以及了解它们的形成过程，科学家们对这些令人费解的物体有了比以往任何时候都更完整的认识。但人类对黑洞的理解在短短的历史上却经历了重大的曲折。

尽管黑洞的存在几乎是确定无疑的，但就在半个世纪前，专家们还不那么肯定。滑铁卢大学研究黑洞和量子信息的物理学家罗伯特·曼恩说，当他在 20 世纪 70 年代还是一名研究生时，“教授们真的对此表示怀疑。”

关于黑洞存在的最早猜测比美国宪法还要早。早在 1783 年，英国科学家约翰·米歇尔牧师就将黑洞设想为“暗星”。曼恩说，米歇尔问道，如果一颗恒星的质量如此之大，以至于摆脱引力所需的速度“比光还快”，它会是什么样子。

米歇尔的问题很好。但几年后，在 1790 年代，著名的法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯和其他先驱思想家说服科学界，光的行为就像波，因此不受引力的影响，曼恩说。这种新的光概念使米歇尔的理论看起来无关紧要。

但这个想法在 1915 年阿尔伯特·爱因斯坦提出广义相对论后又重新被提起。广义相对论认为，任何有质量的物体都会按其重量成比例地弯曲时空，并且一定量的物质会变得非常致密，以至于坍缩成一个无限致密的点，称为奇点——黑洞的核心。

人们常说爱因斯坦预言了黑洞，但这并不完全正确，加州理工学院的天体物理学家哈维尔·加西亚说，他使用 X 射线研究黑洞的基本特性。“爱因斯坦提出了黑洞存在的必要理论”，但并没有预测黑洞本身。

1915 年，爱因斯坦用广义相对论解释了水星绕太阳的运动。这一理论以及其他成功的应用鼓励科学家探索其更深层次的含义。

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不到一年，卡尔·史瓦西听说了爱因斯坦的理论。曼恩说，史瓦西“是应征入伍的德国陆军中尉，但职业是理论天文学家”。他是第一个解出爱因斯坦方程的人，该方程表明奇点可以形成，而且任何物体一旦靠近奇点，都无法移动得足够快以摆脱奇点的引力。

随后，在 1939 年，物理学家罗伯特·奥本海默（因曼哈顿计划而出名，或声名狼藉）和哈特兰·斯奈德试图找出恒星是否能够产生史瓦西听起来不可能的物体。他们推断，如果尘埃球足够大，重力会导致质量坍缩并形成奇点，他们通过计算证明了这一点。但第二次世界大战爆发后，该领域的进展停滞不前，直到 20 世纪 50 年代末，人们才开始再次尝试测试爱因斯坦的理论。

物理学家约翰·惠勒在思考黑洞的含义时，向他的一名研究生雅各布·贝肯斯坦提出了一个在 20 世纪 50 年代末困扰科学家的问题。正如曼恩所解释的那样：“如果你把热茶倒进黑洞，会发生什么？”

答案当然是黑洞会把它喝掉。但热茶却引发了悖论。任何有温度的东西都会散发热量。而热的和冷的物体混合在一起则会引起交换——例如，当你把冰块放入热水浴中时，冰块会变热，而热水浴会冷却下来。

如果黑洞吞噬一切，却不释放任何能量，那就意味着它不释放热量，温度必定为零。曼恩说，黑洞吞噬热物质，却永远不会变暖，“这违背了我们所知的热力学原理”。

到了 20 世纪 60 年代，这些物体有了一个朗朗上口的名字——“黑洞”。这个术语解释了两个特点：它们是洞，物体可以掉进去但永远无法逃脱；而且它们对任何观察者来说都是一片漆黑。

惠勒的学生贝肯斯坦后来与斯蒂芬·霍金合作，发现黑洞确实会释放能量。这种辐射是由空间中的量子涨落引起的，只会释放出极小的能量。但他们的研究证明黑洞有热量——明确回答了惠勒十五年前提出的问题。

曼恩说，他们将量子物理学引入黑洞解决了一个悖论，但又产生了另一个悖论。量子力学要求信息不能被摧毁。目前，科学家无法从黑洞发出的少量辐射中判断进入黑洞的物质——这些信息已经丢失。

“对于如何解决这个问题，目前还没有达成一致意见，”曼恩说，尽管一些研究人员相信他们已经接近解决这个问题。

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霍金帮助解决了黑洞自诞生以来的另一个谜团。20 世纪初，史瓦西提出的黑洞解决方案不仅阻止了光逃逸，还包括黑洞核心的时空空洞——奇点。但当时，科学家们并不确定这是黑洞的普遍特性，还是史瓦西以及后来的奥本海默和斯奈德选择计算的特定系统的一个怪癖。

霍金和罗杰·彭罗斯证明，史瓦西的解决方案（产生了奇点）并不只是对不可能呈圆形的恒星而言的孤例——任何足够大的质量都会产生奇点。

几十年来，对潜在黑洞的 X 射线观测不断积累，但直到 2016 年 LIGO 首次宣布探测到黑洞后，天文学家才有直接证据证明黑洞的存在。不仅如此，它们还会相互碰撞形成更大的黑洞并辐射引力波，曼恩说。

科学家们仍然不知道信息悖论或奇点的由来。“但我们确实看到了这些物体。我们还拍了一张其中的照片，”曼恩说道，他指的是 2019 年事件视界望远镜拍摄的第一张黑洞周围发光物质的图像。