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环球科学诺贝尔物理学奖揭晓授予黑洞研究！霍金或与诺奖擦肩而过( 五 )


黑洞诞生所涉及的极高密度（某种程度上高于核物质密度）物质状态的问题远不像初看起来那么严重 。 纵然人们认为当前的物理学对这种密度的认识是不足的（情况可能并非如此） ， 但这也仅仅影响质量最小的那些天体的塌缩过程 。 任何天体的密度都正比于其质量除以半径的立方；而黑洞半径又和质量成正比 。 这两个事实意味着 ， 黑洞的密度与质量的平方成反比 。
天文学家认为 ， 星系中心的天体可能是质量相当于1万到1亿个太阳的黑洞 。 1亿倍太阳质量的物质塌缩达到形成黑洞的条件时 ， 平均密度大约等于水的密度 。 事件视界上的潮汐效应同样与黑洞质量的平方成反比 。 因此在某种程度上 ， 1亿倍太阳质量的黑洞的潮汐效应甚至小于地球表面的潮汐效应 。 一个宇航员可以穿过这个黑洞的事件视界而不受潮汐力影响 。 在他穿过事件视界时 ， 他可能不会注意到有任何特别之处 。 （无论如何 ， 视界的精确位置都不能通过局域测量得到 。 ）在潮汐效应达到无穷大之前 ， 这个宇航员还剩下几分钟可以享受黑洞中的生活 。 对于100亿倍太阳质量的黑洞 ， 他还有大约一天的时间 。 至于黑洞内部的巨大潮汐效应和密度 ， 则涉及到了广义相对论的某些特定推论 。 后面我还会谈到这个问题 。
有关球对称性假设的问题则更为严重 。 如果我们不采用球对称假设 ， 那么就得不出那个严格解 ， 而之前的讨论都是建立在这个解的基础上 。 此外 ， 即使我们假设最初的天体只稍微偏离球对称一点 ， 那么当它坍缩到中心点附近时 ， 这种不对称性也很有可能被大幅度放大 。 那样的话 ， 塌缩天体的不同部分在落向中心时会不会碰不到一起？或许它们会在擦肩而过后继续运动 ， 越过中心飞向外面 。 即使它们没出现这类情况 ， 我们又该怎样推断坍缩形成的引力场的最终形态？幸运的是 ， 科学家在过去数年中证明了几个一般性定理 ， 根据这些定理他们已经构建了不对称坍缩的完整理论 。
让我们考虑一下这个过程的细节 。 假设质量分布略微偏离球对称的一颗大质量恒星或一群天体开始坍缩 ， 那么根据我们的理论 ， 如果该天体满足某个判据 ， 它就越过了无法返回点 ， 会成为一个黑洞 。 这个判据可以用很多方法表述 ， 但下面这个是最简单的 。 想象时空中有一点发出了闪光 ， 如果用时空表示方法来描述这个事件 ， 那么闪光就是源于这一点的光锥 。 光线从这点发出后 ， 向四面八方散开 ， 当它们经过物质或引力场时 ， 会被后者聚拢 。 如果光线遭遇了质量足够大的物质或足够强的引力场 ， 其发散程度会极大地缩小 。 实际上 ， 光线会反过来开始汇聚 。 天体会成为黑洞所需的判据就是 ， 天体内的时空点发出的每条光线都遇到足够多的物质和足够强的引力场 ， 使得光锥重新汇聚 。 通过简单的量级估算不难得出 ， 对于足够多的物质 ， 这个判据其实在密度或曲率达到非常大之前就能得到满足 ， 且无需任何对称性 。
对于满足这个判据的天体 ， 我们还可以得出许多推论 。 首先 ， 根据斯蒂芬·霍金和本文作者由广义相对论推导出的一个精确定理 ， 这种情况下必然存在一个时空奇点 。 奇点指的是一个物理理论完全失效的时空区域 。 这里说的奇点 ， 是一个物质和光子被无限强的引力潮汐力扭曲和压缩 ， 直至完全消失的区域 。 物理学家不喜欢会出现真正奇点的理论 。 过去 ， 如果一个理论里出现了奇点 ， 通常表明当前形式的理论失效了 ， 需要新的理论工具 。 在处理黑洞问题时 ， 我们再次遭遇了这种情况 ， 但比之前更为严重 ， 黑洞里的奇点涉及到了空间和时间的结构 。
天体坍缩到了这个阶段 ， 有两种完全不同的可能结果 。 产生的奇点有可能允许信息从它逃离 ， 从而被远处的观察者观测到 。 这是两种可能结果中更让人担忧的一个 ， 猜测的成分也更大一些 。 这样的奇点被称为裸奇点 。 裸奇点让人担忧 ， 是因为接近无限大的时空曲率产生的物理效应在很大程度上未知的 。 如果这些效应可以影响外部世界 ， 那么就会为物理理论带来一种本质上的不确定性 。


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