落到黑洞中去已成為科學(xué)幻想中的恐怖一幕。現(xiàn)在黑洞已在事實(shí)上被說(shuō)成是科學(xué)的現(xiàn)實(shí)，而非科學(xué)的幻想。正如我所要描述的，我們已有很強(qiáng)的理由預(yù)言黑洞必然存在。觀測(cè)證據(jù)強(qiáng)烈地顯示，在我們自身的銀河系中有些黑洞，而在其他星系中則更多。
[17]作者注：這是1988年4月在伯克萊的加利福尼亞大學(xué)希奇科克的講演。
當(dāng)然，科學(xué)幻想作家真正做到家的是，他們?yōu)槟忝枋鋈绻阏娴牡舻揭活w黑洞中去將會(huì)發(fā)生什么。不少人認(rèn)為，如果黑洞在旋轉(zhuǎn)的話(huà)，你便可穿過(guò)時(shí)空的一個(gè)小洞而到宇宙的另一個(gè)區(qū)域去。這顯然產(chǎn)生了空間旅行的可能性。如果我們要想到別的恒星，且不說(shuō)到別的星系去的旅行在未來(lái)成為現(xiàn)實(shí)，這的確是我們夢(mèng)寐以求的東西。否則的話(huà)，沒(méi)有東西可比光旅行得更快的這一事實(shí)意味著，到最鄰近的恒星的來(lái)回路途至少需要花八年時(shí)間。這就是到α一半人馬座度周末所需要的時(shí)間！另一方面，如果人們能穿過(guò)一顆黑洞，就可在宇宙中的任何地方重新出現(xiàn)。怎么選取你的目的地還不很清楚，最初你也許想到處女座度假，而結(jié)果卻到了蟹狀星云。
我要非常遺憾地告訴未來(lái)的星系旅行家們，這個(gè)場(chǎng)景是行不通的。如果你跳進(jìn)一顆黑洞，就會(huì)被撕成粉碎。然而，在某種意義上，構(gòu)成你身體的粒子會(huì)繼續(xù)跑到另一個(gè)宇宙中去。我不清楚，某個(gè)在黑洞中被壓成意大利面條的人，如果得知他的粒子也許能存活的話(huà)，是否對(duì)他是很大的安慰，
盡管我在這里采用了稍微輕率的語(yǔ)氣，這篇講演卻是基于可靠的科學(xué)作根據(jù)。我在這里講的大部分現(xiàn)在已得到在這個(gè)領(lǐng)域作研究的其他科學(xué)家的贊同，盡管這是發(fā)生在新近的事。然而，這篇講演的最后部分是根據(jù)還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)的最近的工作。它引起了巨大的興趣和激動(dòng)。
雖然我們現(xiàn)在稱(chēng)作黑洞的概念可以回溯到二百多年前，但是“黑洞”這個(gè)名字是晚到1967年才由美國(guó)物理學(xué)家約翰-惠勒提出來(lái)的。這真是一項(xiàng)天才之舉：這個(gè)名字本身就保證黑洞進(jìn)入科學(xué)幻想的神秘王國(guó)。為原先沒(méi)有滿(mǎn)意名字的某種東西提供確切的名字也刺激了科學(xué)研究。在科學(xué)中不可低估好名字的重要性。
盡我所知，首先討論黑洞的是一位名叫約翰-米歇爾的劍橋人，他在1783年寫(xiě)了一篇有關(guān)的論文。他的思想如下：假設(shè)你在地球表面上向上點(diǎn)燃一顆炮彈。在它上升的過(guò)程中，其速度由于引力效應(yīng)而減慢。它最終會(huì)停止上升而落回到地球上。然而，如果它的初速度大于某個(gè)臨界值，它將永遠(yuǎn)不會(huì)停止上升并落回來(lái)，而是繼續(xù)向外運(yùn)動(dòng)。這個(gè)臨界速度稱(chēng)為逃逸速度。地球的逃逸速度大約為每秒七英里，太陽(yáng)的逃逸速度大約為每秒一百英里。這兩個(gè)速度都比實(shí)際炮彈的速度大，但是它們比起光速來(lái)就太小了，光速是每秒186000英里。這表明引力對(duì)光的影響甚微，光可以毫無(wú)困難地從地球或太陽(yáng)逃逸。可是，米歇爾推論道，也許可能有這樣的一顆恒星，它的質(zhì)量足夠大而尺度足夠小，這樣它的逃逸速度就比光速還大。因?yàn)閺脑摵阈潜砻姘l(fā)出的光會(huì)被恒星的引力場(chǎng)拉曳回去，所以它不能到達(dá)我們這里，因此我們不能看到這顆恒星。然而，我們可以根據(jù)它的引力場(chǎng)作用到附近物體上的效應(yīng)檢測(cè)到它的存在。
把光當(dāng)作炮彈處理是不自洽的。根據(jù)在1897年進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，光線(xiàn)總是以恒常速度旅行。那么引力怎么能把光線(xiàn)減慢呢？直到1915年愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論后，人們才有了引力對(duì)光線(xiàn)效應(yīng)的自洽理論。盡管如此，直到本世紀(jì)六十年代，人們才廣泛意識(shí)到這個(gè)理論對(duì)老的恒星和其他重質(zhì)量物體的含義。
根據(jù)廣義相對(duì)論，空間和時(shí)間一起被認(rèn)為形成稱(chēng)作時(shí)空的四維空間。這個(gè)空間不是平坦的，它被在它當(dāng)中的物質(zhì)和能量所畸變或者彎曲。在向我們傳來(lái)的光線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)電波于太陽(yáng)附近受到的彎折中可以觀測(cè)到這種曲率。在光線(xiàn)通過(guò)太陽(yáng)鄰近的情形時(shí)，這種彎折非常微小。然而，如果太陽(yáng)被收縮到只有幾英里的尺度，這種彎折就會(huì)厲害到這種程度，即從太陽(yáng)表面發(fā)出的光線(xiàn)不能逃逸出來(lái)，它被太陽(yáng)的引力場(chǎng)拉曳回去。根據(jù)相對(duì)論，沒(méi)有東西可以比光旅行得更快，這樣就存在一個(gè)任何東西都不能逃逸的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域就叫做黑洞。它的邊界稱(chēng)為事件視界。它是由剛好不能從黑洞逃出而只能停留在邊緣上徘徊的光線(xiàn)形成的。
假定太陽(yáng)能收縮到只有幾英里的尺度，聽(tīng)起來(lái)似乎是不可思議的。人們也許認(rèn)為物質(zhì)不可能被壓縮到這種程度。但是在實(shí)際上這是可能的。
太xxxx有現(xiàn)有的尺度是因?yàn)樗菬岬摹Ｋ诎褮淙紵珊ぃ缤活w受控的氫彈。這個(gè)過(guò)程中釋放出的熱量產(chǎn)生了壓力，這種壓力使太陽(yáng)能抵抗得住自身引力的吸引，正是這種引力使得太陽(yáng)尺度變小。
然而，太陽(yáng)最終會(huì)耗盡它的燃料。這要發(fā)生也是在冉過(guò)大約五十億年以后的事，所以不必焦急訂票飛到其他恒星去。然而，具有比太陽(yáng)更大質(zhì)量的恒星會(huì)更迅速地耗盡其燃料。在燃料用盡后就開(kāi)始失去熱量并且收縮。如果它們質(zhì)量比大約太陽(yáng)質(zhì)量的兩倍還小，就最終會(huì)停止收縮，并且趨向于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。這樣的狀態(tài)之一叫作白矮星。它們具有幾千英里的半徑和每立方英寸幾百?lài)嵉拿芏取Ａ硪环N這樣的狀態(tài)是中子星。它們具有大約十英里的半徑和每立方英寸幾百萬(wàn)噸的密度。
在銀河系我們緊鄰的區(qū)域觀察到大量的白矮星。然而，直到1967年約瑟琳-貝爾和安東尼-赫維許在劍橋才首次觀測(cè)到中子星。那時(shí)他們發(fā)現(xiàn)了稱(chēng)作脈沖星的發(fā)出射電波規(guī)則脈沖的物體。最初，他們驚訝是否和外星文明進(jìn)行了接觸。我的確記得，在他們要宣布其發(fā)現(xiàn)的房間里裝飾了“小綠人”的圖樣。然而，他們和所有其他人最后只能得出不太浪漫的結(jié)論，這些物體原來(lái)是旋轉(zhuǎn)的中子星。對(duì)于寫(xiě)太空西部人的作家，這是個(gè)壞消息，而對(duì)于我們這些當(dāng)時(shí)相信黑洞的少數(shù)人，卻是個(gè)好消息。如果恒星能縮小到十至二十英里的尺度，而變成中子星，人們便可以預(yù)料，其他恒星能進(jìn)一步收縮而變成黑洞。
質(zhì)量比大約太陽(yáng)質(zhì)量?jī)杀陡蟮暮阈遣荒芊€(wěn)定成為一顆白矮星或中子星。在某種情形下，該恒星可以爆炸，并拋出足夠的質(zhì)量，使余下的質(zhì)量低于這個(gè)極限。但是總有例外。有些恒星會(huì)變得這么小，它們的引力場(chǎng)會(huì)把光線(xiàn)彎折到這種程度，使它折回到恒星本身上去。不管是光線(xiàn)還是別的任何東西部不能逃逸出來(lái)。該恒星已經(jīng)變成為一顆黑洞。
物理定律是時(shí)間對(duì)稱(chēng)的。如果存在東西能落進(jìn)去而不能跑出來(lái)的叫作黑洞的物體，那就還應(yīng)該存在東西能跑出來(lái)而不能落進(jìn)去的其他物體。人們可以把這些物體叫做白洞。人們可以猜測(cè)，一個(gè)人可以在一處跳進(jìn)一顆黑洞，而在另一處從一顆白洞跑出來(lái)。這應(yīng)是早先提到長(zhǎng)距離空間旅行的理想手段。你所需要做的一切是去尋找一顆鄰近的黑洞。
這種形式的空間旅行初看起來(lái)是可能的。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中存在這類(lèi)解，它允許人往一顆黑洞落進(jìn)再?gòu)囊活w白洞跑出來(lái)。然而，后來(lái)的研究表明，所有這些解都是非常不穩(wěn)定的：最為微小的擾動(dòng)，譬如講空間飛船的存在都會(huì)把這個(gè)“蟲(chóng)洞”，或者從該黑洞到該白洞的通道消滅。該空間飛船會(huì)被無(wú)限強(qiáng)大的力量撕得粉碎。這正如同躲藏在大桶里從尼亞加拉瀑布漂下去一樣。
事情似乎已經(jīng)絕望。黑洞也許可以用來(lái)擺脫垃圾甚至人們的某些朋友。但是它們是“旅行者有去無(wú)歸的國(guó)度”。然而，我到此為止所說(shuō)的一切都是根據(jù)利用愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所進(jìn)行的計(jì)算。這個(gè)理論和我們迄今的一切觀測(cè)都吻合得極好。但是，由于它不能和量子力學(xué)的不確定性原理合并，所以我們知道它不可能完全正確。不確定性原理是說(shuō)，粒子不能同時(shí)把位置和速度都很好地定義。你把一顆粒子的位置測(cè)量得越精確，則對(duì)它的速度就測(cè)量得越不精確，反之亦然。
1973年我開(kāi)始研究不確定性原理會(huì)對(duì)黑洞有什么改變。使我和其他所有人大吃一驚的是，我發(fā)現(xiàn)它意味著黑洞不是完全黑的。它們以恒定的速率發(fā)射出輻射和粒子。當(dāng)我在牛津附近的一次會(huì)議上宣布這些結(jié)果時(shí)，大家都不相信。該分會(huì)主席說(shuō)，這些是沒(méi)有意義的，而且他還寫(xiě)了一篇論文重申。然而，在其他人重復(fù)我的計(jì)算時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了相同的效應(yīng)。這樣，甚至連該主席都同意說(shuō)我是正確的。
輻射是如何從黑洞的引力場(chǎng)中逃逸出來(lái)的呢？我們有好幾種辦法來(lái)理解。雖然它們顯得非常不同，其實(shí)是完全等效的。一種方法是，不確定性原理允許粒子在短距離內(nèi)旅行得比光還快。這就使得粒子和輻射能穿過(guò)事件視界從黑洞逃逸。然而，從黑洞出來(lái)的東西和落進(jìn)去的東西不同。只有能量是相同的。
隨著黑洞釋放粒子和輻射，它將損失質(zhì)量。這將使黑洞變得越來(lái)越小，并更迅速地發(fā)射粒子。它最終會(huì)達(dá)到零質(zhì)量并完全消失。對(duì)于那些落入黑洞的物體，還可能包括空間飛船都會(huì)發(fā)生什么呢？根據(jù)我的一些最新的研究，其答案是，它們會(huì)出發(fā)到它們自身的微小的嬰兒宇宙中去。一個(gè)小的自足的宇宙從宇宙中我們的區(qū)域分叉開(kāi)來(lái)。這個(gè)嬰兒宇宙可以重新連接到時(shí)空的我們的區(qū)域。如果發(fā)生這種情形的話(huà)，它在我們看來(lái)顯得是另外一個(gè)黑洞形成并隨后蒸發(fā)掉。落進(jìn)一個(gè)黑洞的粒子會(huì)作為從另一個(gè)黑洞發(fā)射的粒子而出現(xiàn)，反之亦然。
這聽(tīng)起來(lái)似乎正是允許通過(guò)黑洞進(jìn)行空間旅行所需要的。你只要駕駛你的空間飛船進(jìn)入適當(dāng)?shù)暮诙矗詈檬窍喈?dāng)巨大的黑洞。否則的話(huà)，在你進(jìn)入黑洞之前引力就已經(jīng)把你撕成意大利面條。你可望在另外一顆黑洞外面重新出現(xiàn)，雖然你不能選擇在什么地方。
然而，在這種星系際運(yùn)送規(guī)劃中有一個(gè)意外的障礙。把落入黑洞的粒子取走的嬰兒宇宙是在所謂的虛時(shí)間里發(fā)生的。在實(shí)時(shí)間里，一位落進(jìn)黑洞的航天員的結(jié)局是悲慘的。作用到他頭上和腳上的引力差會(huì)把他撕開(kāi)來(lái)。甚至連構(gòu)成他身體的粒子都不能幸免。它們?cè)趯?shí)時(shí)間里的歷史會(huì)在一個(gè)奇點(diǎn)處終結(jié)。但是，粒子在虛時(shí)間里的歷史將會(huì)繼續(xù)。它們將進(jìn)入并通過(guò)嬰兒宇宙，而且作為從另外一顆黑洞發(fā)射出來(lái)的粒子而重現(xiàn)。這樣，在某種意義上可以說(shuō)，航天員被運(yùn)送到宇宙的另一個(gè)區(qū)域。可是，出現(xiàn)的粒子和航天員沒(méi)有什么相像之處。當(dāng)他在實(shí)時(shí)間中進(jìn)入奇點(diǎn)時(shí)，也不會(huì)因得知他的粒子將在虛時(shí)間里存活，而得到什么安慰。對(duì)于任何落進(jìn)黑洞的人的箴言是：“想想虛的”。
是什么東西確定粒子在何處重現(xiàn)呢？嬰兒宇宙中的粒子數(shù)目等于落進(jìn)該黑洞的粒子數(shù)目加上在它蒸發(fā)時(shí)發(fā)射的粒子數(shù)目。這表明，落入一顆黑洞的粒子將從另一顆具有大致相等質(zhì)量的黑洞出來(lái)。這樣，人們可由創(chuàng)造一顆與粒子所落進(jìn)的黑洞相同質(zhì)量的黑洞，來(lái)選擇粒子出來(lái)的地方。然而，該黑洞會(huì)同等可能地發(fā)出具有相等總能量的任何其他的粒子集合。即便該黑洞的確發(fā)射出對(duì)頭種類(lèi)的粒子，人們?nèi)匀徊荒芨嬷鼈兪欠窬褪锹溥M(jìn)另一顆黑洞的那些粒子。粒子不攜帶身份證。給定種類(lèi)的所有粒子都顯得很相像。
這一切表明，穿越黑洞并非空間旅行的受人歡迎的可靠的辦法。首先，你必須在虛時(shí)間里旅行才到達(dá)那里，而不理睬你的歷史在實(shí)時(shí)間里達(dá)到悲慘的結(jié)局。其次。你不能隨意選擇自己的日的地。這就像在我說(shuō)不出名字的航線(xiàn)上旅行。
雖然嬰兒宇宙對(duì)于空間旅行無(wú)甚用處；但對(duì)于我們尋求能描述宇宙中萬(wàn)物的完整的統(tǒng)一理論的嘗試卻意義重大。我們現(xiàn)有理論包括一些量，譬如一顆粒子所帶電荷的大小。我們的理論不能夠預(yù)言這些量。相反地，它們必須選取得和觀測(cè)相符合。可是，許多科學(xué)家相信，存在一種基本的統(tǒng)一理論，它能把所有這些量都預(yù)言出來(lái)。
很可能存在一種這樣的基本理論。所謂異型超弦是目前最有前途的候選者。其思想是時(shí)空充滿(mǎn)了許多像一根弦似的小圈圈。我們認(rèn)為是基本粒子的實(shí)際上是這些以不同方式振動(dòng)的小圈圈。這種理論不包含任何數(shù)值可以被調(diào)整的數(shù)。于是人們預(yù)料，這種統(tǒng)一理論應(yīng)能預(yù)言出所有這些量的數(shù)值，譬如講一顆粒子所帶的電荷，那是現(xiàn)有理論不能確定而遺留下來(lái)的量。雖然我們還不能從超弦理論預(yù)言這些量中的任何一個(gè)，但是很多人相信，我們最終能夠做到這一點(diǎn)。
然而，如果嬰兒宇宙的圖像是正確的，我們預(yù)言這些量的能力就被降低。這是因?yàn)槲覀儾荒苡^察到在那里存在多少個(gè)嬰兒宇宙，等待著和宇宙中我們的區(qū)域相連接。有的嬰兒宇宙只包含一些粒子。這些嬰兒宇宙是如此之微小，人們覺(jué)察不出它們的連接和分叉。可是，它們連接上后就改變了諸如一顆粒子所帶電荷的量的表觀的值。這樣，因?yàn)槲覀儾恢烙卸嗌賸雰河钪娴却谀抢铮晕覀兙皖A(yù)言不出這些量的表觀值。也可能出現(xiàn)嬰兒宇宙的人口爆炸。然而和人類(lèi)不同的是，似乎沒(méi)有諸如食物供應(yīng)和站立空間的限制因素。嬰兒宇宙存在于它們自身的實(shí)在之中。它有點(diǎn)像問(wèn)在針尖上可容納多少個(gè)天使跳舞的問(wèn)題。
嬰兒宇宙似乎為大多數(shù)的量的預(yù)言值引進(jìn)了一定的哪怕是相當(dāng)小的不確定性。然而，它們可以為一個(gè)非常重要的量，即所謂宇宙常數(shù)的觀測(cè)值提供一種解釋。這是使時(shí)空具有膨脹或者收縮的內(nèi)在傾向的廣義相對(duì)論方程的一項(xiàng)。愛(ài)因斯坦提出一個(gè)非常小的宇宙常數(shù)，原意是希望用以平衡物質(zhì)使宇宙收縮的傾向。在人們發(fā)現(xiàn)宇宙是在膨脹后這個(gè)動(dòng)機(jī)即不復(fù)存在。但是要擺脫宇宙常數(shù)決非易事。人們可以預(yù)料，量子力學(xué)隱含的起伏會(huì)給出非常大的宇宙常數(shù)。但是，我們能夠觀測(cè)宇宙的膨脹如何隨時(shí)間而變化，從而確定宇宙常數(shù)是非常小的。迄今為止，對(duì)觀察值為什么必須這么微小還沒(méi)有找到任何好的解釋。然而，嬰兒宇宙的分叉出去和連接回來(lái)會(huì)影響宇宙常數(shù)的表觀值。因?yàn)槲覀儾恢烙卸嗌賯€(gè)嬰兒宇宙，宇宙常數(shù)就可能有不同的表觀值。然而，一個(gè)幾乎為零的值，是最有可能的。這是令人慶幸的，因?yàn)橹挥挟?dāng)宇宙常數(shù)非常微小時(shí)，宇宙才適合橡我們這樣的生物居住。
可以總結(jié)一下：看來(lái)粒子能夠落進(jìn)黑洞，然后黑洞蒸發(fā)并從宇宙中我們的區(qū)域消失。這些粒子進(jìn)入嬰兒宇宙中。這些嬰兒宇宙從我們的宇宙分叉出去。這些嬰兒宇宙可以連接回到其他的什么地方。它們對(duì)空間旅行無(wú)甚用處，但是它們的存在意味著我們預(yù)言能力比所期望的更差，即便我們真的找到了完整的統(tǒng)一理論。另一方面，我們現(xiàn)在也許能為某些像宇宙常數(shù)的量的測(cè)量值提供解釋。過(guò)去的幾年里，好多人開(kāi)始研究嬰兒宇宙。我認(rèn)為沒(méi)有人把它們作為空間旅行的方法而申請(qǐng)專(zhuān)利致富，但是它們已成為非常激動(dòng)人心的研究領(lǐng)域。
