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事件视界还是表观视界

张同杰 李时雨

张同杰：

北京师范大学天文系教授、博士生导师，研究方向为标准宇宙学的理论和宇宙学的观测效应。

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李时雨：北京师范大学天文系研究生，研究方向为宇宙学。

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从上世纪70 年代开始，人类对黑洞的研究从理论探讨逐步上升为实际观测，越来越多的科学家相信并力证它的存在。此时若有不知名的物理学家，扬言“黑洞不存在”，那他一定无异于中世纪教会眼中的布鲁诺。不过，当这句话出自现代黑洞理论的创始人之一斯蒂芬·霍金（Stephen Hawk⁃ing）之口时，就值得我们好好注意了。

“表观视界”的出现

2013 年8 月，霍金通过Skype（一款网络即时语音沟通工具），给美国加州大学圣巴巴拉分校的科维理研究所（Kav⁃li Institute）作了一场报告。随后，他基于这场报告的内容，完成了题为《黑洞的信息保存和天气预报》的文章，并于2014 年1 月22 日在arXiv 发表。正是这篇文章，摒弃了黑洞周围存在事件视界(Event Horizon)的概念。所谓事件视界，即指黑洞周围看不见的边界。一旦到达这个无形的黑洞边界，任何事物，哪怕是光，都无法逃逸。它是宇宙中的单行道：只能进，不能出。

在这篇文章中，霍金认为：“从光无法逃逸至无穷远的角度来看，没有事件视界就意味着没有黑洞。”为了支持自己的理论，他提出了“灰洞”的概念。“灰洞”的边界被称为“表观视界(Apparent Horizons)”,它只能暂时困住物质与光。

简而言之，霍金的新观点就是黑洞不存在，这个超高密度的天体更像是灰洞。这个观点极大地震动了国际物理界尤其是引力物理界，其造成的影响绝不亚于巴西队1:7 负于德国队，给世界足坛带来的震撼。

霍金在接受《自然》杂志社记者采访时说：“在经典广义相对论的引力理论中，任何事物都不能从黑洞中逃逸，然而量子理论却能使能量和信息从黑洞中逃逸。”一些物理学家承认，对该现象的合理解释，需要一个能够完美合并引力与其他基本自然力的理论。但是，近一个世纪以来，物理学家始终没有发现这样的理论。霍金认为，“正确的处理方法仍然是一个谜”。

而且，广义相对论与量子理论的冲突，也引出了人们关于“黑洞火墙悖论”的思考。2012 年，科维理研究所的理论物理学家约瑟夫·波尔钦斯基（Joseph Polchinski）和他的同事，发现了这个悖论。自那以后，“黑洞火墙悖论”已经困扰了全球物理学家整整两年，而霍金提出的“灰洞”新观点，正是为了解决这个所谓的悖论。这究竟是个怎样的神奇悖论？

无解的“黑洞火墙悖论”？

“在物理学中，悖论是个好东西，”美国加州理工学院的理论物理学家约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）说，“它们会向你指明通往重要发现的道路。”而黑洞恰恰是一个滋生悖论的肥沃温床。“黑洞火墙悖论”其实并不复杂，科研人员设计了一个思想实验——如果一个倒霉的宇航员不幸落入黑洞会发生什么。关于这个问题，科学家得出了两个相互矛盾的结果。

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在经典广义相对论的引力理论框架中，物理学家认为，宇航员会愉快地通过事件视界，完全不知道自己即将面临死亡的威胁，最终在黑洞无限致密的核心“奇点”，被巨大的引力撕裂。然而，当研究人员详细分析了具体情况后，他们意识到量子力学规律将会彻底“改变”这个宇航员的命运：如果基于量子理论考虑，那么事件视界会转化为一个高能量的区域——“火墙”，它会把宇航员烧焦。这个结果令人震惊，因为尽管“火墙”服从了量子规律，但是它却违反了爱因斯坦的广义相对论——无论他们是落入黑洞或是漂浮在空旷的星系际间中，自由落体的人应该感受到在宇宙任意处都同等的物理规律。

其实，这个悖论的核心问题在于事件视界：它究竟会对宇航员毫无阻拦，还是会变成一堵“火墙”。关于这个问题，霍金在《黑洞的信息保存和天气预报》一文中，引入了“表观视界”的概念，这是一个当光线试图从黑洞的核心逃逸时，会被暂时困住的边界。“表观视界”的出现，为黑洞火墙悖论提供了诱人且简单的第三种可能性：量子力学和广义相对论的理论框架保持不变，但黑洞根本就没有所谓的事件视界和“火墙”，它只有一个表观视界组成的时空，它具有很强的波动性，没有明显的边界。而“表观视界”概念的提出，导致了“灰洞”概念的产生。

从光线不能逃逸至无穷远的意义上看，不存在事件视界则意味着不存在黑洞。在广义相对论中，对于静态的黑洞而言，事件视界和表观视界是相同的。然而，这两个视界在原则上又是可以加以区分的。如果有越来越多的物质被黑洞吞噬，黑洞的事件视界就会不断膨胀，变得比表观视界更大。不过在20 世纪70 年代，霍金还一直认为，黑洞会慢慢收缩，喷涌出“霍金辐射”。在这种情况下，事件视界会比表观视界更小才对。今天，霍金的新观点认为，表观视界才是黑洞的真正边界，它几乎就像极端物理的“灰色地带”。不过，如果要符合广义相对论或量子动力学，那么信息在穿过表观视界时，会被完全打乱。也就是说，虽然信息可以从黑洞逃逸，但是它们会变得面目全非。当然，这个结果也恰好回避了黑洞火墙悖论。

并不完美的解决方案

即便霍金的新作貌似完美地解答了黑洞火墙悖论，但仍在物理学界引起了科学家的广泛讨论。

在20 世纪70 年代与霍金有过合作的物理学家，研究黑洞的专家唐·佩吉（Don Page）认为：霍金对于黑洞可能不存在事件视界的提议也许是对的，但这不足以解释火墙悖论。即使表观视界只是短暂存在，但也可能会导致跟事件视界存在的同样问题。而且，不同于事件视界，表观视界最终会消失。佩吉还指出，霍金打开了极端场景的大门——“原则上，任何事物都有可能逃出黑洞”。

虽然霍金在他的文章中并没有详细说明表观视界会如何消失，但佩吉推测：当事件视界缩小到一定规模时，此时量子力学和引力的影响会相互结合，我们有理由相信，表观视界确会消失。因此，无论什么物质被黑洞困住，最终都会被释放。而且，如果霍金的观点是正确的，那么黑洞核心甚至可能不存在奇点。相反，物质只是暂时被困在表观视界中，由于受到黑洞的牵引力，它们会逐渐向内移动，但绝不会塌缩到中心。物质的信息不会被破坏，但会变得非常混乱，因为它是通过“霍金辐射”释放的。这些信息几乎不可能维持被黑洞吞噬前的样子，“这将比试图修复一本烧成灰烬的书更难”。霍金也深知其中的难度，他将这比作试图提前预测天气：理论上是可行的，但想要在实践中提高精确性却非常困难。

波尔钦斯基对霍金的观点也持同样的怀疑态度，他认为，自然界中不太可能存在没有事件视界的黑洞。“在爱因斯坦的引力理论中，黑洞的视界与空间的其他地方并没有太大的不同，”他认为，“我们从来没有在临近的宇宙空间中看到过时空波动，这在宇宙大尺度结构中也非常罕见。”霍金以前的学生、加州大学伯克利分校的理论物理学家拉斐尔·布索（Raphael Bousso）也对霍金的解决方案持谨慎态度。“黑洞中处处存在可以从中逃逸的点，这在某些方面比‘火墙’的存在更有问题，”他说，“但事实上，在霍金发表了第一篇关于黑洞和信息的论文40 年后，我们仍在讨论这样的问题，这证明了它具有非凡的意义。”

名词解释

事件视界：一种时空的曲隔界线，是从黑洞中发出的光所能到达的最远距离，也是黑

洞最外层的边界。在事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法，获得事件视界以内的任何事件的信息，或者受到事件视界以内事件的影响。

霍金辐射：在“真空”的宇宙中，根据海森堡不确定性原理，会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子，然后瞬间消失，以符合能量守恒。霍金推想，如果在黑洞外产生了虚粒子对，其中一个被吸引进去，而另一个逃逸，那么，逃逸的粒子则获得了能量，不需要跟其相反的粒子湮灭，可以逃逸到无限远。这在外界看来，就像是黑洞发射粒子一样。这种辐射就被命名为霍金辐射。由于该粒子是向外带去能量，所以它吸收了一部分黑洞的能量。因此，黑洞的质量会渐渐变小，直至消失。当然，它也向外带去信息，所以不违反信息定律。

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奇点：大爆炸宇宙论所追溯的宇宙演化的起点。它具有一系列奇异的性质：无限大的物质密度，无限大的压力，无限弯曲的时空等。宇宙大尺度结构：在物理宇宙学中描述可观测宇宙在大范围内（典型的尺度是十亿光年）的质量和光的分布特征。