黑洞其實不存在? 霍金再度砸下震撼彈 @ 《BBC知識》國際中文版

【文／馬克斯‧ 尚恩（Marcus Chown）；譯者／戴凡惟】

物體接近黑洞事件視界的示意圖。然而這真的是無法回頭的分界點嗎？

從前我們認為沒有任何東西能從黑洞裡逃脫，包括光在內。這就是黑洞之所以「黑」的緣故。然後霍金出現了，他的理論顯示黑洞周圍的空間會發射光子和其他次原子粒子，讓物理學界大為震驚。在砸下「霍金輻射」這枚震撼彈的40年後，這位舉世聞名的劍橋大學物理學家可能再度顛覆大家既有的想像。霍金在他最近出版的論文裡宣稱，其實東西會從黑洞裡流出。如果他是對的，黑洞就不是我們原本以為的樣子了。事實上以最嚴格的定義來看，它們甚至可能不存在。

一般所知的黑洞，是大質量恆星耗盡核心燃料時產生的。由於星體沒有足夠的熱來抗衡自身的重力，導致核心潰縮，形成點狀的「奇異點」（singularity）。奇異點周圍包覆著一層「事件視界」（event horizon），這是想像的球面，物質一旦落入黑洞的事件視界內，就無法脫離了。卡爾‧史瓦西（Karl Schwarzschild）在1916年首度運用愛因斯坦嶄新的重力理論推論出這種視界的存在。1971年X光觀測衛星「自由號」（Uhuru）第一次發現真正的黑洞「天鵝座X-1」。如今我們已知銀河系中的黑洞有十幾個，不過一般認為銀河系應該還有數百萬個黑洞。

不過除了這些「恆星型黑洞」之外，還有另一種更離奇的黑洞類型。1963年荷裔美籍天文學家馬丁‧施密特（Maarten Schmidt）所發現的類星體（quasar）是這類黑洞的最初證據。類星體通常能從比太陽系還小的體積，釋放出相當於一百個正常星系的能量。這驚人光亮唯一的合理來源，是物質被吸入黑洞時升溫而產生的白熾光。不過這裡說的不是普通的黑洞，它的質量高達太陽的300億倍！

起初大家認為這種「超大質量黑洞」只驅動了占全部星系1％的「活躍星系」（active galaxy）。不過後來發現幾乎每個星系中心都藏了一顆超大質量黑洞，讓大家跌破眼鏡。例如銀河系中心就有一顆中等大小的超大質量黑洞「人馬座A*」，「只有」太陽的430萬倍。

無中生有的奇幻邊界?

霍金在1974年發現，黑洞周圍的視界具有不尋常的性質。黑洞除了驅動宇宙中某些最活躍的天體之外，還讓理論物理學家有了獨特的機會研究極端條件下的物理現象。量子理論是描述微觀世界的最佳理論，它允許次原子粒子及對應的「反粒子」能憑空突然成對出現，只要這對粒子在極短的時間內彼此湮滅消失即可。霍金發現，在視界外圍有可能發生這樣的狀況：粒子對的其中一個粒子落入黑洞中，另一個粒子卻逃逸出去。倖存的粒子無法成對湮滅，就一直存續下去。這種粒子從視界往各方向發射出去，形成了霍金輻射。

產生這種粒子所需的能量必須有某種來源。事實上，這些能量是源自黑洞的重力位能，黑洞因此逐漸縮小，最後完全消失。這就引發一個嚴重的問題：物理學有項基本前提是，資訊無法憑空冒出或消滅。如果黑洞最後消失了，那些黑洞前身的星體資訊跑哪去了呢？物理學家近年來的結論是，霍金輻射應該是經過「調變」（就像廣播電台發射的電磁波經過人聲調變一樣），將星體資訊逐漸釋放回宇宙中。