黑洞里面是什么？｜张双南专栏

黑洞里面是什么？

这是一个还没有答案，也许永远都没有确定答案的问题。

故事要从100多年前讲起。

1915年，爱因斯坦发表了伟大的广义相对论理论。由于广义相对论的场方程是二阶非线性偏微分方程，爱因斯坦本人觉得应该不会有精确的解析解，而只能有近似解或者数值解。但是令爱因斯坦非常惊讶的是，仅仅几个月之后，正在前线打仗的奥地利数学家史瓦西竟然得到了一个解析解，这就是点质量、无自转和不带电的引力场的解，今天被称为史瓦西解。

这个解的一个性质是存在一个视界，在视界处红移无穷大而且时间停滞。由于任何东西，包括光线，都是只能进去而不能出来，所以这个解也被称为黑洞解，它的另外一个性质就是其中心是一个奇点，也就是所有的物理量都发散。所以根据这个解，黑洞里面就是除了中心的奇点之外，其他地方什么都没有。

但是爱因斯坦不相信自然界存在物理量发散的物体，因此坚信这个解在自然界不存在，一定有当时未知的物理规律阻止奇点的形成，所以宇宙中不会有黑洞存在。当然今天我们知道宇宙中有很多黑洞，我本人就发现过黑洞，而且今年6月15号发射的慧眼天文卫星（我担任该卫星的首席科学家）的任务之一就是寻找更多的黑洞。

那么爱因斯坦错了吗？错在哪儿？

我们知道，爱因斯坦是因为发现光电效应而获得诺贝尔物理学奖的，而这是量子力学的奠基性成就。根据广义相对论，黑洞中心的奇点处的体积必须是无穷小（而这就是物理量发散的原因），但是量子力学的不确定性原理不允许出现无穷小的体积，因此在那个地方应该是引力效应和量子效应同时都非常强烈的区域，也就是量子引力效应起作用，但是我们目前还没有能够自洽地描述量子引力的物理学理论，因此我们并不知道那里到底在发生什么。电影《星际穿越》的科学主题就是派宇航员到黑洞中心获得“量子引力”的数据，用来检验电影中的布兰教授的引力理论。

还有一类模型认为不仅仅是黑洞中心的情况需要用到量子效应，就是在物质进入黑洞的过程中也需要考虑量子纠缠效应。在这种情况下，黑洞视界内部靠近黑洞视界的区域就必须有高能粒子的存在，被称为黑洞的“火墙”。但是火墙是否存在并没有定论。

最后，要问黑洞内部的情况，还需要说明使用的参考系和时钟。

上面这些情况都对应一种参考系，也就是在黑洞的引力场中做自由落体进入黑洞观测者的参考系，用的时钟是他自己携带的时钟。但是我们知道，根据广义相对论，不同引力场中的时钟走的快慢是不同的，即使他们一开始把时钟对准，他们离开之后时钟就不可能继续同步了。所以，如果用黑洞外部观测者的时钟计时，那么得到的结论很可能会很不同。情况其实也正是这样。

根据广义相对论的所有教科书中给出的经典例子，如果使用外部观测者的时钟，那么即使经过无穷长的时间，物质也不可能进入黑洞，因此对于（还）没有进入黑洞的我们来讲，黑洞里面实际上什么都没有！所有落向黑洞的物质都被“冻结”在黑洞的视界外面了！因此可以说，宇宙中根本就没有黑洞！

但是我和我当时的学生刘元深深地怀疑广义相对论的这个“经典”结果，因此于2009年发表了一篇文章，推翻了上述结论。

我们的计算仍然是基于广义相对论做的，但是和以往的所有计算都不同，我们考虑了落向黑洞的物质的质量对黑洞的度规的影响，做了完全自洽的动态度规的计算。我们的计算发现，即使对于外部观测者，物质可以顺利进入黑洞，所以宇宙中可以很自然地形成黑洞！但是我们计算的另外一个结果则更加令人吃惊：

进入黑洞的物质在外部观测者有限的时间内不会到达中心，因此物质在黑洞内部处于分布状态，物质的分布情况完全取决于物质落入黑洞的历史，但是中心处空空如也，也就是黑洞中心没有奇点！

因此，爱因斯坦没有全错：宇宙中的确没有奇点，但是有黑洞！

下图是上面所说的我们那篇论文的摘要截屏，供想了解进一步细节的朋友参考。这篇论文的链接为：http://adsabs.harvard.edu/abs/2009PhLB..679...88L

（编辑：晓岚）

题图来源：123RF