黑洞里面是什么？｜张双南专栏

Original 张双南我是科学家iScientist 2017-08-25

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

作者名片

来点彩蛋

看了今天的专栏，是否还有些意犹未尽？放眼宇宙，还有多少神秘的事物和现象还没有得到解答？如果你爱好天文，或者热衷于太空题材的科幻电影，那来听一听张双南老师的直播回放就再适合不过了！

上周三晚上19:30，科学人邀请张双南老师在荔枝微课平台进行了一场关于神秘黑洞的讲座“听到她的声音就想看到她的倩影——从《星际穿越》到‘慧眼’卫星”。看到了电影名字？没错，本次的讲座就从电影开始。库珀为什么要去黑洞？现实世界里有像电影那样的黑洞吗？我们能效仿电影中的方式去发现黑洞吗？

对于黑洞的疑问有那么多，为了求得真相，张双南老师甚至带着听众玩起了时空穿越！

然而……无辜的爱老师表示：“我也不知道啊！“