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标  题: 黑洞的量子力学 
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat Dec 31 21:15:38 2005), 转信


本世纪的最初三十年出现了三种理论，它们激烈地改变人们对物理和实在本身的观
点。物理学家们仍然在探讨它们的含义以及尝试把它们调适在一起。这三种理论是狭义
相对论（1905年）、广义相对论（1915年）以及量子力学理论（大约1926年）。阿尔伯
特·爱因斯坦是第一种理论的主要创建者，是第二种理论的单独创建者，并且在第三种
理论的发展中起过重要的作用。因为量子力学具有随机的和不可确定性的因素，所以爱
因斯坦从未接受它。他的态度可用他经常被引用的“上帝不玩弄骰子”的陈述来总结。
然而，由于不管是狭义相对论还是过子力学都能够描述可被直接观察的效应，所以绝大
多数物理学家欣然同意，接受它们。而另一方面，由于广义相对论似乎在数学上过于复
杂，不能在实验室中得到检验，而且是似乎不能和量子力学相协调的纯粹经典的理论，
所以它在大部分场合没有受到理会。这样，在几乎半个世纪的岁月里，广义相对论一直
处于沉闷的状态。   
　　[15]作者注：此文于1977年1月发表在《科学美国人》上。


从本世纪六十年代初开始的天文观测的伟大扩展，发现了许多新现象，诸如类星体、
脉冲星和紧致的X射线源。这一切表明非常强大的引力场的存在，这种引力场只能由广义
相对论来描述，所以对广义相对论的经典理论的兴趣又被重新唤起。类星体是和恒星相
似的物体，如果它们处于由它们的光谱的红化所标志的那么遥远的地方，则必须比整个
星系还要亮好几倍。脉冲星是超新星爆发后快速闪耀的残余物，它被认为是超密度的中
子星。紧致的X射线源是由外空飞行器上的仪器所揭示的，也可能还是中子星或者是具有
更高密度的假想的物体，也就是黑洞。
物理学家在把广义相对论应用到这些新发现的或者假想的物体时，所要面临的一个
问题是，要使它和量子力学相协调。在过去的几年中有了一些发展，使人们产生了一些
希望，也就是不必等太久的时间我们将获得一种完全协调的量子引力论，这种理论对于
宏观物体和广义相对论相一致，而且可望避免那种长期折磨其他量子场论的数学上的无
穷大。这些发展就是最近发现的和黑洞相关的某些量子效应，它们为在黑洞和热力学定
律之间提供了令人注目的联结。
让我简述一下黑洞是如何产生的。想象一颗具有十倍太阳质量的恒星。在它的大约
十亿年寿命的大部分时间里，该恒星在其中心把氢转化成氦而产生热。释放出的能量会
产生足够的压力，以支持该恒星去抵抗自身的引力，这就产生了半径约为太阳半径五倍
的物体。从这种恒星表面的逃逸速度大约是每秒一千公里。也就是说，一个以小于每秒
一千公里的速度从该恒星表面点火垂直上升的物体，会被恒星的引力场拖曳回到表面上
来，而具有更大速度的物体会逃逸到无穷远去。
当恒星耗尽其核能，那就没有东西可维持其向外的压力，恒星就由于自身的引力开
始坍缩。随着恒星收缩，表面上的引力场就变得越来越强大，而逃逸速度就会增加。当
它的半径缩小到三十公里，其逃逸速度就增加到每秒三十万公里，也就是光的速度。从
此以后，任何从该恒星发出的光都不能逃逸到无穷远，而只能被引力场拖曳回来。根据
狭义相对论，没有东西可能比光旅行得更迅速。这样，如果光都不能逃逸，别的东西就
更不可能。
其结果就是一颗黑洞：这是时空的一个区域，从这个区域不可能逃逸到无穷远。黑
洞的边界被称作事件视界。它对应于从恒星发出的刚好不能逃逸到无穷远的，而只能停
留在施瓦兹席尔德半径处徘徊的光线的波前。施瓦兹席尔德半径为2GM／√c，这里G是牛
顿引力常数，M是恒星质量，而c是光速。对于具有大约十倍太阳质量的恒星，其施瓦兹
席尔德半径大约为二十公里。
现在有了相当好的观测证据暗示，在诸如称为天鹅X－1的双星系统中存在大约这个
尺度的黑洞。也许还有相当数目的比这小得多的黑洞散落在宇宙之中。它们不是由恒星
坍缩形成的，而是在炽热的高密度的介质的被高度压缩区域的坍缩中产生的。人们相信
在宇宙启始的大爆炸之后不久存在这样的介质。这种“太初”黑洞对我将在这里描述的
量子效应具有最大的兴趣。一颗重十亿吨（大约一座山的质量）的黑洞具有10↑-13厘米
的半径（一颗中子或质子的尺度）。它也许正绕着太阳或者绕着银河系中心公转。
1970年的数学发现是在黑洞和热力学之间可能有联接的第一个暗示。它是说事件视
界，也就是黑洞边界的表面积具有这样的性质，当附加的物质或者辐射落进黑洞时它总
是增加。此外，如果两颗黑洞碰撞并且合并成一颗单独的黑洞，围绕形成黑洞的事件视
界的面积比分别围绕原先两颗黑洞的事件视界的面积的和更大。这些性质暗示，在一颗
黑洞的事件视界面积和热力学的熵概念之间存在一种类似。熵可被认为是系统的无序度，
或等价地讲是对它精确状态的知识的缺失。热力学著名的第二定律说，熵总是随时间而
增加。
华盛顿大学的詹姆斯·巴丁，现在任职于莫尔顿天文台的布兰登·卡特和我推广了
黑洞性质和热力学定律之间的相似性。热力学第一定律说，一个系统的熵的微小改变是
伴随着该系统的能量的成比例的改变。这个比例因子被叫做系统的温度。巴丁、卡特和
我发现了把黑洞质量改变和事件视界面积改变相联系的一个类似的定律。这里的比例常
数牵涉到称为表面引力的一个量，它是引力场在事件视界的强度的测度。如果人们接受
事件视界的面积和熵相类似，那么表面引力似乎就和温度相类似。可以证明，在事件视
界上所有点的表面引力都是相等的，正如同处于热平衡的物体上的所有地方具有相同的
温度。这个事实更加强了这种类比。
虽然在熵和事件视界面积之间很明显地存在着相似性，对于我们来说，如何把面积
认定为黑洞的熵仍然不是显然的。黑洞的熵是什么含义呢？1972年雅各布·伯肯斯坦提
出了关键的建议。他那时是普林斯顿大学的一名研究生，现在任职于以色列的涅吉夫大
学。可以这么进行论证。由于引力坍缩而形成一颗黑洞，这颗黑洞迅速地趋向于一种稳
定态，这种态只由三个参数来表征：质量、角动量和电荷。这个结论即是著名的“黑洞
无毛定理”。它是由卡特、阿尔伯特大学的外奈·伊斯雷尔、伦敦国王学院的大卫·C·
罗宾逊和我共同证明的。
无毛定理表明，在引力坍缩中大量的信息被损失了。例如，最后的黑洞和坍缩物体
是否由物质或者反物质组成，以及它在形状上是球形的还是高度不规则的都没有关系。
换言之，一颗给定质量、角动量以及电荷的黑洞可由物质的大量不同形态中的任何一种
坍缩形成。的确，如果忽略量子效应的话，由于黑洞可由无限大数目的具有无限小质量
的粒子云的坍缩形成，所以形态的数目是无限的。
然而，量子力学的不确定性原理表明，一颗质量为m的粒子的行为正像一束波长为h
／mc的波，这里h是普郎克常数（一个值为6.62×10↑-27尔格·秒的小数），而c是光速。
为了使一堆粒子云能够坍缩形成一颗黑洞，该波长似乎必须比它所形成黑洞的尺度更小。
这样，能够形成给定质量、角动量和电荷的黑洞的形态数目虽然非常巨大，却可以是有
限的。伯肯斯坦建议说，人们可把这个数的对数解释成黑洞的熵。这个数目的对数是在
黑洞诞生时在通过事件视界坍缩之际的不可挽回的信息丧失的量的测度。
伯肯斯坦的建议中含有一个致命的毛病，如果黑洞具有和它的事件视界面积成比例
的熵，它就还应该具有有限的温度，该温度必须和它的表面引力成比例。这就意味着黑
洞能和具有不为零温度的热辐射处于平衡。然而，根据经典概念，黑洞会吸收落到它上
面的任何热辐射，而不能发射任何东西作为回报，所以这样的平衡是不可能的。
直到1974年初，当我根据量子力学研究物质在黑洞邻近的行为时，这个迷惑才得到
解决。我非常惊讶地发现，黑洞似乎以恒定的速率发射出粒子。正如那时候的任何其他
人一样，我接受黑洞不能发射任何东西的正统说法。所以我花了相当大的努力试图摆脱
这个令人难堪的效应。它拒不退却，所以我最终只好接受之。最后使我信服它是一个真
正的物理过程的是，飞出的粒子具有准确的热谱，黑洞正如同通常的热体那样产生和发
射粒子，这热体的温度和黑洞的表面引力成比例并且和质量成反比。这就使得柏肯斯坦
关于黑洞具有有限的熵的建议完全协调，因为它意味着能以某个不为零的温度处于热平
衡。
从此以后，其他许多人用各种不同的方法确证了黑洞能热发射的数学证据。以下便
是理解这种辐射的一种方法。量子力学表明，整个空间充满了“虚的”粒子反粒子对，
它们不断地成对产生、分开，然而又聚到一块并互相湮灭。因为这些粒子不像“实的”
粒子那样，不能用粒子加速器直接观测到，所以被称作虚的。尽管如此，可以测量到它
们的间接效应。由它们在受激氢原子发射的光谱上产生的很小位移（蓝姆位移）证实了
虚粒子的存在。现在，在黑洞存在的情形，虚粒子对中的一个成员可以落到黑洞中去，
留下来的另一个成员就失去可以与之相湮灭的配偶。这被背弃的粒子或者反粒子，可以
跟随其配偶落到黑洞中去，但是它也可以逃逸到无穷远去，在那里作为从黑洞发射出的
辐射而出现。
另一种看待这个过程的方法是，把落到黑洞中去的粒子对的成员，譬如讲反粒子，
考虑成真正地在向时间的过去方向旅行的一颗粒子。这样，这颗落入黑洞的反粒子可被
认为是从黑洞跑出来但向时间过去旅行的一颗粒子。当该粒子到达原先该粒子反粒子对
产生的地方，它就被引力场散射，这样就使它在时间前进的方向旅行。
因此，量子力学允许粒子从黑洞中逃逸出来，这是经典力学不允许的事。然而，在
原子和核子物理学中存在许多其他的场合，有一些按照经典原理粒子不能逾越的壁垒，
按照量子力学原理的隧道效应可让粒子通过。
围绕一颗黑洞的壁垒厚度和黑洞的尺度成比例。这表明非常少粒子能从一颗像假想
在天鹅X－1中存在的那么大的黑洞中逃逸出来，但是粒子可以从更小的黑洞迅速地漏出
来。仔细的计算表明，发射出的粒子具有一个热谱，其温度随着黑洞质量的减小而迅速
增高。对于一颗太阳质量的黑洞，其温度大约只有绝对温度的千万分之一度。宇宙中的
辐射的一般背景把从黑洞出来具有那种温度的热辐射完全淹没了。另一方面，质量只有
十亿吨的黑洞，也就是尺度大约和质子差不多的太初黑洞，会有大约一千二百亿度开文
芬的温度，这相当于一千万电子伏的能量。处于这等温度下的黑洞会产生电子正电子对
以及诸如光子、中微子和引力子（引力能量的假想的携带者）的零质量粒子。太初黑洞
以六十亿瓦的速率释放能量，这相当于六个大型核电厂的输出。
随着黑洞发射粒子，它的质量和尺度就稳恒地减小。这使得更多粒子更容易穿透出
来，这样发射就以不断增加的速度继续下去，直到黑洞最终把自己发射殆尽。从长远地
看，宇宙中的每个黑洞都将以这个方法蒸发掉。然而对于大的黑洞它需要的时间实在是
太长了，具有太阳质量的黑洞会存活10↑66年左右。另一方面，太初黑洞应在大爆炸迄
今的一百亿年间几乎完全蒸发光，正如我们所知的，大爆炸是宇宙的起始。这种黑洞现
在应发射出能量大约为一亿电子伏的硬伽玛射线。
当·佩奇和我在SAS－2卫星测量伽玛辐射宇宙背景的基础上计算出，宇宙中的太初
黑洞的平均密度必须小于大约每立方光年两百颗。那时当·佩奇是在加州理工学院。如
果太初黑洞集中于星系的“晕”中，它在银河系中的局部密度可以比这个数目高一百万
倍，而不是在整个宇宙中均匀地分布。晕是每个星系都要嵌在其中的稀薄的快速运动恒
星的薄云。这意味着最邻近地球的太初黑洞可能至少在冥王星那么远。
黑洞蒸发的最后阶段会进行得如此快速，以至于它会在一次极其猛烈的爆发中终结。
这个爆发的激烈程度依存于有多少不同种类的基本粒子而定。如果正如现在广为相信的，
所有粒子都是由也许六种不同的夸克构成，则最终的爆炸会具有和大约一千万颗百万吨
氢弹相等的能量。另一方面，日内瓦欧洲核子中心的H·哈格登提出了另一种理论。他论
断道，存在质量越来越大的无限数目的基本粒子。随着黑洞变得越小越热，它就会发射
出越来越多不同种类的粒子，也许会产生比按照夸克假定计算的能量大1   0倍的爆炸。
因此，观测黑洞爆发可为基本粒子物理提供非常重要的信息，这也许是用任何其他方式
不能得到的信息。
一次黑洞爆发会倾注出大量的高能伽玛射线。虽然可以用卫星或者气球上的伽玛射
线探测器观测它们，但要送上一台足够大的探测器，使之有相当的机会拦截到来自于一
次爆炸的不少数量的伽玛射线光子，是很困难的。使用航天飞机在轨道上建立一个大的
伽玛射线探测器是一种可能性。把地球的上层大气当成一台探测器是另外一种更容易也
更便宜的做法。穿透到大气的高能伽玛射线会产生电子正电子爆，它们在大气中旅行的
初速度比大气中的光速还快。（光由于和空气分子相互作用而减慢下来。）这样，电子
和正电子将建立起一种音爆，或者是电磁场中的冲击波。这种冲击波叫作切伦科夫辐射，
可以可见光闪烁的形式从地面上观测到它。
都柏林大学学院的奈尔·A·波特和特勒伏·C·威克斯的一个初步实验指出，如果
黑洞按照哈格登理论预言的方式爆炸，则在银河系的我们区域中只有少于每世纪每立方
光年两次的黑洞爆发。这表明太初黑洞的密度小于每立方光年一亿颗。我们有可能极大
地提高这类观测的灵敏度。即便它们没有得到太初黑洞的任何肯定的证据，它们仍然是
非常有价值的。观测结果在这种黑洞的密度上设下一个低的高限，表明早期宇宙必须是
光滑和安宁的。
大爆炸和黑洞爆炸相类似，只不过是在一个极大的尺度范围内而已。所以人们希望，
理解黑洞如何创生粒子将导致类似地理解大爆炸如何创生宇宙中的万物。在一颗黑洞中，
物质坍缩并且永远地损失掉，但是新物质在该处创生。所以事情也许是这样的，存在宇
宙更早的一个相，物质在大爆炸处坍缩并且重新创生出来。
如果坍缩并形成黑洞的物质具有净电荷，则产生的黑洞将携带同样的电荷。这意味
着该黑洞喜欢吸引虚粒子反粒子对中带相反电荷的那个成员，而排斥带相同电荷的成员。
因此，黑洞优先地发射和它同性的带电粒子，并且从而迅速地丧失其电荷。类似地，如
果坍缩物质具有净角动量，产生的黑洞便是旋转的，并且优先地发射携带走它角动量的
粒子。由于坍缩物质的电荷、角动量和质量和长程场相耦合：在电荷的情形和电磁场耦
合，在角动量和质量的情形和引力场耦合，所以黑洞“记住”了这些参数，而“忘记”
了其他的一切。
普林斯顿大学的罗伯特·H·狄克和莫斯科国立大学的弗拉基米尔·布拉津斯基进行
的实验指出，不存在和命名为重子数的量子性质相关的长程场。（重子是包括质子和中
子在内的粒子族。）因此由一群重子坍缩形成的黑洞会忘掉它的重子数，并且发射出等
量的重子和反重子。所以，当黑洞消失时，它就违反了粒子物理的最珍贵定律之一，重
子守恒定律。
虽然为了和伯肯斯坦关于黑洞具有有限熵的假设协调，黑洞必须以热的方式辐射，
但是粒子产生的仔细量子力学计算引起带有热谱的发射，初看起来似乎完全是一桩奇迹。
这可以解释成，发射的粒子从黑洞的一个外界观测者除了它的质量、角动量和电荷之外
对之毫无所知的区域穿透出来。这意味着具有相同能量、角动量和电荷的发射粒子的所
有组合或形态都是同等可能的。的确，黑洞可能发射出一台电视机或者十卷皮面包装的
蒲鲁斯特[16]全集，但是对应于这些古怪可能性的粒子形态的数目极端接近于零。迄今
最大数目的形态是对应于几乎具有热谱的发射。   
　　[16]译者注：蒲鲁斯特（Marcel Proust）是法国上世纪和本世纪之交的小说家。


黑洞发射具有超越通常和量子力学相关的额外的不确定性或不可预言性。在经典力
学中人们既可以预言粒子位置，又可以预言粒子速度的测量结果。量子力学的不确定性
原理讲，只能预言这些测量中的一个，观察者能预言要么位置要么速度的测量结果，不
能同时预言两者。或者他能预言位置和速度的一个组合的测量结果。这样，观察者作明
确预言的能力实际上被减半了。有了黑洞情形就变得更坏。由于被黑洞发射出的粒子来
自于观察者只有非常有限知识的区域，他不能明确预言粒子的位置或者速度或者两者的
任何组合，他所能预言的一切是某些粒子被发射的概率。所以这样看来，爱国斯坦在说
“上帝不玩弄骰子”时，他是双重地错了。考虑到从黑洞发射粒子，似乎暗示着上帝不
仅玩弄骰子，而且有时把它们扔到看不见的地方去。


黑洞和婴儿宇宙[17]

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落到黑洞中去已成为科学幻想中的恐怖一幕。现在黑洞已在事实上被说成是科学的
现实，而非科学的幻想。正如我所要描述的，我们已有很强的理由预言黑洞必然存在。
观测证据强烈地显示，在我们自身的银河系中有些黑洞，而在其他星系中则更多。   
　　[17]作者注：这是1988年4月在伯克莱的加利福尼亚大学希奇科克的讲演。


当然，科学幻想作家真正做到家的是，他们为你描述如果你真的掉到一颗黑洞中去
将会发生什么。不少人认为，如果黑洞在旋转的话，你便可穿过时空的一个小洞而到宇
宙的另一个区域去。这显然产生了空间旅行的可能性。如果我们要想到别的恒星，且不
说到别的星系去的旅行在未来成为现实，这的确是我们梦寐以求的东西。否则的话，没
有东西可比光旅行得更快的这一事实意味着，到最邻近的恒星的来回路途至少需要花八
年时间。这就是到α一半人马座度周末所需要的时间！另一方面，如果人们能穿过一颗
黑洞，就可在宇宙中的任何地方重新出现。怎么选取你的目的地还不很清楚，最初你也
许想到处女座度假，而结果却到了蟹状星云。
我要非常遗憾地告诉未来的星系旅行家们，这个场景是行不通的。如果你跳进一颗
黑洞，就会被撕成粉碎。然而，在某种意义上，构成你身体的粒子会继续跑到另一个宇
宙中去。我不清楚，某个在黑洞中被压成意大利面条的人，如果得知他的粒子也许能存
活的话，是否对他是很大的安慰，
尽管我在这里采用了稍微轻率的语气，这篇讲演却是基于可靠的科学作根据。我在
这里讲的大部分现在已得到在这个领域作研究的其他科学家的赞同，尽管这是发生在新
近的事。然而，这篇讲演的最后部分是根据还没有达成共识的最近的工作。它引起了巨
大的兴趣和激动。
虽然我们现在称作黑洞的概念可以回溯到二百多年前，但是“黑洞”这个名字是晚
到1967年才由美国物理学家约翰·惠勒提出来的。这真是一项天才之举：这个名字本身
就保证黑洞进入科学幻想的神秘王国。为原先没有满意名字的某种东西提供确切的名字
也刺激了科学研究。在科学中不可低估好名字的重要性。
尽我所知，首先讨论黑洞的是一位名叫约翰·米歇尔的剑桥人，他在1783年写了一
篇有关的论文。他的思想如下：假设你在地球表面上向上点燃一颗炮弹。在它上升的过
程中，其速度由于引力效应而减慢。它最终会停止上升而落回到地球上。然而，如果它
的初速度大于某个临界值，它将永远不会停止上升并落回来，而是继续向外运动。这个
临界速度称为逃逸速度。地球的逃逸速度大约为每秒七英里，太阳的逃逸速度大约为每
秒一百英里。这两个速度都比实际炮弹的速度大，但是它们比起光速来就太小了，光速
是每秒186000英里。这表明引力对光的影响甚微，光可以毫无困难地从地球或太阳逃逸。
可是，米歇尔推论道，也许可能有这样的一颗恒星，它的质量足够大而尺度足够小，这
样它的逃逸速度就比光速还大。因为从该恒星表面发出的光会被恒星的引力场拉曳回去，
所以它不能到达我们这里，因此我们不能看到这颗恒星。然而，我们可以根据它的引力
场作用到附近物体上的效应检测到它的存在。
把光当作炮弹处理是不自洽的。根据在1897年进行的一项实验，光线总是以恒常速
度旅行。那么引力怎么能把光线减慢呢？直到1915年爱因斯坦提出广义相对论后，人们
才有了引力对光线效应的自洽理论。尽管如此，直到本世纪六十年代，人们才广泛意识
到这个理论对老的恒星和其他重质量物体的含义。
根据广义相对论，空间和时间一起被认为形成称作时空的四维空间。这个空间不是
平坦的，它被在它当中的物质和能量所畸变或者弯曲。在向我们传来的光线或者无线电
波于太阳附近受到的弯折中可以观测到这种曲率。在光线通过太阳邻近的情形时，这种
弯折非常微小。然而，如果太阳被收缩到只有几英里的尺度，这种弯折就会厉害到这种
程度，即从太阳表面发出的光线不能逃逸出来，它被太阳的引力场拉曳回去。根据相对
论，没有东西可以比光旅行得更快，这样就存在一个任何东西都不能逃逸的区域。这个
区域就叫做黑洞。它的边界称为事件视界。它是由刚好不能从黑洞逃出而只能停留在边
缘上徘徊的光线形成的。
假定太阳能收缩到只有几英里的尺度，听起来似乎是不可思议的。人们也许认为物
质不可能被压缩到这种程度。但是在实际上这是可能的。
太阳具有现有的尺度是因为它是热的。它正在把氢燃烧成氦，如同一颗受控的氢弹。
这个过程中释放出的热量产生了压力，这种压力使太阳能抵抗得住自身引力的吸引，正
是这种引力使得太阳尺度变小。
然而，太阳最终会耗尽它的燃料。这要发生也是在冉过大约五十亿年以后的事，所
以不必焦急订票飞到其他恒星去。然而，具有比太阳更大质量的恒星会更迅速地耗尽其
燃料。在燃料用尽后就开始失去热量并且收缩。如果它们质量比大约太阳质量的两倍还
小，就最终会停止收缩，并且趋向于一种稳定的状态。这样的状态之一叫作白矮星。它
们具有几千英里的半径和每立方英寸几百吨的密度。另一种这样的状态是中子星。它们
具有大约十英里的半径和每立方英寸几百万吨的密度。
在银河系我们紧邻的区域观察到大量的白矮星。然而，直到1967年约瑟琳·贝尔和
安东尼·赫维许在剑桥才首次观测到中子星。那时他们发现了称作脉冲星的发出射电波
规则脉冲的物体。最初，他们惊讶是否和外星文明进行了接触。我的确记得，在他们要
宣布其发现的房间里装饰了“小绿人”的图样。然而，他们和所有其他人最后只能得出
不太浪漫的结论，这些物体原来是旋转的中子星。对于写太空西部人的作家，这是个坏
消息，而对于我们这些当时相信黑洞的少数人，却是个好消息。如果恒星能缩小到十至
二十英里的尺度，而变成中子星，人们便可以预料，其他恒星能进一步收缩而变成黑洞。
质量比大约太阳质量两倍更大的恒星不能稳定成为一颗白矮星或中子星。在某种情
形下，该恒星可以爆炸，并抛出足够的质量，使余下的质量低于这个极限。但是总有例
外。有些恒星会变得这么小，它们的引力场会把光线弯折到这种程度，使它折回到恒星
本身上去。不管是光线还是别的任何东西部不能逃逸出来。该恒星已经变成为一颗黑洞。
物理定律是时间对称的。如果存在东西能落进去而不能跑出来的叫作黑洞的物体，
那就还应该存在东西能跑出来而不能落进去的其他物体。人们可以把这些物体叫做白洞。
人们可以猜测，一个人可以在一处跳进一颗黑洞，而在另一处从一颗白洞跑出来。这应
是早先提到长距离空间旅行的理想手段。你所需要做的一切是去寻找一颗邻近的黑洞。
这种形式的空间旅行初看起来是可能的。爱因斯坦的广义相对论中存在这类解，它
允许人往一颗黑洞落进再从一颗白洞跑出来。然而，后来的研究表明，所有这些解都是
非常不稳定的：最为微小的扰动，譬如讲空间飞船的存在都会把这个“虫洞”，或者从
该黑洞到该白洞的通道消灭。该空间飞船会被无限强大的力量撕得粉碎。这正如同躲藏
在大桶里从尼亚加拉瀑布漂下去一样。
事情似乎已经绝望。黑洞也许可以用来摆脱垃圾甚至人们的某些朋友。但是它们是
“旅行者有去无归的国度”。然而，我到此为止所说的一切都是根据利用爱因斯坦的广
义相对论所进行的计算。这个理论和我们迄今的一切观测都吻合得极好。但是，由于它
不能和量子力学的不确定性原理合并，所以我们知道它不可能完全正确。不确定性原理
是说，粒子不能同时把位置和速度都很好地定义。你把一颗粒子的位置测量得越精确，
则对它的速度就测量得越不精确，反之亦然。
1973年我开始研究不确定性原理会对黑洞有什么改变。使我和其他所有人大吃一惊
的是，我发现它意味着黑洞不是完全黑的。它们以恒定的速率发射出辐射和粒子。当我
在牛津附近的一次会议上宣布这些结果时，大家都不相信。该分会主席说，这些是没有
意义的，而且他还写了一篇论文重申。然而，在其他人重复我的计算时，他们发现了相
同的效应。这样，甚至连该主席都同意说我是正确的。
辐射是如何从黑洞的引力场中逃逸出来的呢？我们有好几种办法来理解。虽然它们
显得非常不同，其实是完全等效的。一种方法是，不确定性原理允许粒子在短距离内旅
行得比光还快。这就使得粒子和辐射能穿过事件视界从黑洞逃逸。然而，从黑洞出来的
东西和落进去的东西不同。只有能量是相同的。
随着黑洞释放粒子和辐射，它将损失质量。这将使黑洞变得越来越小，并更迅速地
发射粒子。它最终会达到零质量并完全消失。对于那些落入黑洞的物体，还可能包括空
间飞船都会发生什么呢？根据我的一些最新的研究，其答案是，它们会出发到它们自身
的微小的婴儿宇宙中去。一个小的自足的宇宙从宇宙中我们的区域分叉开来。这个婴儿
宇宙可以重新连接到时空的我们的区域。如果发生这种情形的话，它在我们看来显得是
另外一个黑洞形成并随后蒸发掉。落进一个黑洞的粒子会作为从另一个黑洞发射的粒子
而出现，反之亦然。
这听起来似乎正是允许通过黑洞进行空间旅行所需要的。你只要驾驶你的空间飞船
进入适当的黑洞，最好是相当巨大的黑洞。否则的话，在你进入黑洞之前引力就已经把
你撕成意大利面条。你可望在另外一颗黑洞外面重新出现，虽然你不能选择在什么地方。
然而，在这种星系际运送规划中有一个意外的障碍。把落入黑洞的粒子取走的婴儿
宇宙是在所谓的虚时间里发生的。在实时间里，一位落进黑洞的航天员的结局是悲惨的。
作用到他头上和脚上的引力差会把他撕开来。甚至连构成他身体的粒子都不能幸免。它
们在实时间里的历史会在一个奇点处终结。但是，粒子在虚时间里的历史将会继续。它
们将进入并通过婴儿宇宙，而且作为从另外一颗黑洞发射出来的粒子而重现。这样，在
某种意义上可以说，航天员被运送到宇宙的另一个区域。可是，出现的粒子和航天员没
有什么相像之处。当他在实时间中进入奇点时，也不会因得知他的粒子将在虚时间里存
活，而得到什么安慰。对于任何落进黑洞的人的箴言是：“想想虚的”。
是什么东西确定粒子在何处重现呢？婴儿宇宙中的粒子数目等于落进该黑洞的粒子
数目加上在它蒸发时发射的粒子数目。这表明，落入一颗黑洞的粒子将从另一颗具有大
致相等质量的黑洞出来。这样，人们可由创造一颗与粒子所落进的黑洞相同质量的黑洞，
来选择粒子出来的地方。然而，该黑洞会同等可能地发出具有相等总能量的任何其他的
粒子集合。即便该黑洞的确发射出对头种类的粒子，人们仍然不能告知它们是否就是落
进另一颗黑洞的那些粒子。粒子不携带身份证。给定种类的所有粒子都显得很相像。
这一切表明，穿越黑洞并非空间旅行的受人欢迎的可靠的办法。首先，你必须在虚
时间里旅行才到达那里，而不理睬你的历史在实时间里达到悲惨的结局。其次。你不能
随意选择自己的日的地。这就像在我说不出名字的航线上旅行。
虽然婴儿宇宙对于空间旅行无甚用处；但对于我们寻求能描述宇宙中万物的完整的
统一理论的尝试却意义重大。我们现有理论包括一些量，譬如一颗粒子所带电荷的大小。
我们的理论不能够预言这些量。相反地，它们必须选取得和观测相符合。可是，许多科
学家相信，存在一种基本的统一理论，它能把所有这些量都预言出来。
很可能存在一种这样的基本理论。所谓异型超弦是目前最有前途的候选者。其思想
是时空充满了许多像一根弦似的小圈圈。我们认为是基本粒子的实际上是这些以不同方
式振动的小圈圈。这种理论不包含任何数值可以被调整的数。于是人们预料，这种统一
理论应能预言出所有这些量的数值，譬如讲一颗粒子所带的电荷，那是现有理论不能确
定而遗留下来的量。虽然我们还不能从超弦理论预言这些量中的任何一个，但是很多人
相信，我们最终能够做到这一点。
然而，如果婴儿宇宙的图像是正确的，我们预言这些量的能力就被降低。这是因为
我们不能观察到在那里存在多少个婴儿宇宙，等待着和宇宙中我们的区域相连接。有的
婴儿宇宙只包含一些粒子。这些婴儿宇宙是如此之微小，人们觉察不出它们的连接和分
叉。可是，它们连接上后就改变了诸如一颗粒子所带电荷的量的表观的值。这样，因为
我们不知道有多少婴儿宇宙等待在那里，所以我们就预言不出这些量的表观值。也可能
出现婴儿宇宙的人口爆炸。然而和人类不同的是，似乎没有诸如食物供应和站立空间的
限制因素。婴儿宇宙存在于它们自身的实在之中。它有点像问在针尖上可容纳多少个天
使跳舞的问题。
婴儿宇宙似乎为大多数的量的预言值引进了一定的哪怕是相当小的不确定性。然而，
它们可以为一个非常重要的量，即所谓宇宙常数的观测值提供一种解释。这是使时空具
有膨胀或者收缩的内在倾向的广义相对论方程的一项。爱因斯坦提出一个非常小的宇宙
常数，原意是希望用以平衡物质使宇宙收缩的倾向。在人们发现宇宙是在膨胀后这个动
机即不复存在。但是要摆脱宇宙常数决非易事。人们可以预料，量子力学隐含的起伏会
给出非常大的宇宙常数。但是，我们能够观测宇宙的膨胀如何随时间而变化，从而确定
宇宙常数是非常小的。迄今为止，对观察值为什么必须这么微小还没有找到任何好的解
释。然而，婴儿宇宙的分叉出去和连接回来会影响宇宙常数的表观值。因为我们不知道
有多少个婴儿宇宙，宇宙常数就可能有不同的表观值。然而，一个几乎为零的值，是最
有可能的。这是令人庆幸的，因为只有当宇宙常数非常微小时，宇宙才适合橡我们这样
的生物居住。
可以总结一下：看来粒子能够落进黑洞，然后黑洞蒸发并从宇宙中我们的区域消失。
这些粒子进入婴儿宇宙中。这些婴儿宇宙从我们的宇宙分叉出去。这些婴儿宇宙可以连
接回到其他的什么地方。它们对空间旅行无甚用处，但是它们的存在意味着我们预言能
力比所期望的更差，即便我们真的找到了完整的统一理论。另一方面，我们现在也许能
为某些像宇宙常数的量的测量值提供解释。过去的几年里，好多人开始研究婴儿宇宙。
我认为没有人把它们作为空间旅行的方法而申请专利致富，但是它们已成为非常激动人
心的研究领域。
 

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钻过裤裆又是一片蓝天！


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