正文 十一、黑洞和嬰兒宇宙 文 / 史蒂芬·霍金
落到黑洞中去已成為科學幻想中的恐怖一幕。現在黑洞已在事實上被說成是科學的現實，而非科學的幻想。正如我所要描述的，我們已有很強的理由預言黑洞必然存在。觀測證據強烈地顯示，在我們自身的銀河系中有些黑洞，而在其他星系中則更多。
[17]作者註：這是1988年4月在伯克萊的加利福尼亞大學希奇科克的講演。
當然，科學幻想作家真正做到家的是，他們為你描述如果你真的掉到一顆黑洞中去將會發生什麼。不少人認為，如果黑洞在旋轉的話，你便可穿過時空的一個小洞而到宇宙的另一個區域去。這顯然產生了空間旅行的可能性。如果我們要想到別的恆星，且不說到別的星系去的旅行在未來成為現實，這的確是我們夢寐以求的東西。否則的話，沒有東西可比光旅行得更快的這一事實意味著，到最鄰近的恆星的來回路途至少需要花八年時間。這就是到α一半人馬座度週末所需要的時間！另一方面，如果人們能穿過一顆黑洞，就可在宇宙中的任何地方重新出現。怎麼選取你的目的地還不很清楚，最初你也許想到處女座度假，而結果卻到了蟹狀星雲。
我要非常遺憾地告訴未來的星系旅行家們，這個場景是行不通的。如果你跳進一顆黑洞，就會被撕成粉碎。然而，在某種意義上，構成你身體的粒子會繼續跑到另一個宇宙中去。我不清楚，某個在黑洞中被壓成意大利麵條的人，如果得知他的粒子也許能存活的話，是否對他是很大的安慰，
儘管我在這裡採用了稍微輕率的語氣，這篇講演卻是基於可靠的科學作根據。我在這裡講的大部分現在已得到在這個領域作研究的其他科學家的贊同，儘管這是發生在新近的事。然而，這篇講演的最後部分是根據還沒有達成共識的最近的工作。它引起了巨大的興趣和激動。
雖然我們現在稱作黑洞的概念可以回溯到二百多年前，但是「黑洞」這個名字是晚到1967年才由美國物理學家約翰-惠勒提出來的。這真是一項天才之舉：這個名字本身就保證黑洞進入科學幻想的神秘王國。為原先沒有滿意名字的某種東西提供確切的名字也刺激了科學研究。在科學中不可低估好名字的重要性。
盡我所知，首先討論黑洞的是一位名叫約翰-米歇爾的劍橋人，他在1783年寫了一篇有關的論文。他的思想如下：假設你在地球表面上向上點燃一顆炮彈。在它上升的過程中，其速度由於引力效應而減慢。它最終會停止上升而落回到地球上。然而，如果它的初速度大於某個臨界值，它將永遠不會停止上升並落回來，而是繼續向外運動。這個臨界速度稱為逃逸速度。地球的逃逸速度大約為每秒七英里，太陽的逃逸速度大約為每秒一百英里。這兩個速度都比實際炮彈的速度大，但是它們比起光速來就太小了，光速是每秒186000英里。這表明引力對光的影響甚微，光可以毫無困難地從地球或太陽逃逸。可是，米歇爾推論道，也許可能有這樣的一顆恆星，它的質量足夠大而尺度足夠小，這樣它的逃逸速度就比光速還大。因為從該恆星表面發出的光會被恆星的引力場拉曳回去，所以它不能到達我們這裡，因此我們不能看到這顆恆星。然而，我們可以根據它的引力場作用到附近物體上的效應檢測到它的存在。
把光當作炮彈處理是不自洽的。根據在1897年進行的一項實驗，光線總是以恆常速度旅行。那麼引力怎麼能把光線減慢呢？直到1915年愛因斯坦提出廣義相對論後，人們才有了引力對光線效應的自洽理論。儘管如此，直到本世紀六十年代，人們才廣泛意識到這個理論對老的恆星和其他重質量物體的含義。
根據廣義相對論，空間和時間一起被認為形成稱作時空的四維空間。這個空間不是平坦的，它被在它當中的物質和能量所畸變或者彎曲。在向我們傳來的光線或者無線電波於太陽附近受到的彎折中可以觀測到這種曲率。在光線通過太陽鄰近的情形時，這種彎折非常微小。然而，如果太陽被收縮到只有幾英里的尺度，這種彎折就會厲害到這種程度，即從太陽表面發出的光線不能逃逸出來，它被太陽的引力場拉曳回去。根據相對論，沒有東西可以比光旅行得更快，這樣就存在一個任何東西都不能逃逸的區域。這個區域就叫做黑洞。它的邊界稱為事件視界。它是由剛好不能從黑洞逃出而只能停留在邊緣上徘徊的光線形成的。
假定太陽能收縮到只有幾英里的尺度，聽起來似乎是不可思議的。人們也許認為物質不可能被壓縮到這種程度。但是在實際上這是可能的。
太陽具有現有的尺度是因為它是熱的。它正在把氫燃燒成氦，如同一顆受控的氫彈。這個過程中釋放出的熱量產生了壓力，這種壓力使太陽能抵抗得住自身引力的吸引，正是這種引力使得太陽尺度變小。
然而，太陽最終會耗盡它的燃料。這要發生也是在冉過大約五十億年以後的事，所以不必焦急訂票飛到其他恆星去。然而，具有比太陽更大質量的恆星會更迅速地耗盡其燃料。在燃料用盡後就開始失去熱量並且收縮。如果它們質量比大約太陽質量的兩倍還小，就最終會停止收縮，並且趨向於一種穩定的狀態。這樣的狀態之一叫作白矮星。它們具有幾千英里的半徑和每立方英吋幾百噸的密度。另一種這樣的狀態是中子星。它們具有大約十英里的半徑和每立方英吋幾百萬噸的密度。
在銀河系我們緊鄰的區域觀察到大量的白矮星。然而，直到1967年約瑟琳-貝爾和安東尼-赫維許在劍橋才首次觀測到中子星。那時他們發現了稱作脈衝星的發出射電波規則脈衝的物體。最初，他們驚訝是否和外星文明進行了接觸。我的確記得，在他們要宣佈其發現的房間裡裝飾了「小綠人」的圖樣。然而，他們和所有其他人最後只能得出不太浪漫的結論，這些物體原來是旋轉的中子星。對於寫太空西部人的作家，這是個壞消息，而對於我們這些當時相信黑洞的少數人，卻是個好消息。如果恆星能縮小到十至二十英里的尺度，而變成中子星，人們便可以預料，其他恆星能進一步收縮而變成黑洞。
質量比大約太陽質量兩倍更大的恆星不能穩定成為一顆白矮星或中子星。在某種情形下，該恆星可以爆炸，並拋出足夠的質量，使餘下的質量低於這個極限。但是總有例外。有些恆星會變得這麼小，它們的引力場會把光線彎折到這種程度，使它折回到恆星本身上去。不管是光線還是別的任何東西部不能逃逸出來。該恆星已經變成為一顆黑洞。
物理定律是時間對稱的。如果存在東西能落進去而不能跑出來的叫作黑洞的物體，那就還應該存在東西能跑出來而不能落進去的其他物體。人們可以把這些物體叫做白洞。人們可以猜測，一個人可以在一處跳進一顆黑洞，而在另一處從一顆白洞跑出來。這應是早先提到長距離空間旅行的理想手段。你所需要做的一切是去尋找一顆鄰近的黑洞。
這種形式的空間旅行初看起來是可能的。愛因斯坦的廣義相對論中存在這類解，它允許人往一顆黑洞落進再從一顆白洞跑出來。然而，後來的研究表明，所有這些解都是非常不穩定的：最為微小的擾動，譬如講空間飛船的存在都會把這個「蟲洞」，或者從該黑洞到該白洞的通道消滅。該空間飛船會被無限強大的力量撕得粉碎。這正如同躲藏在大桶裡從尼亞加拉瀑布漂下去一樣。
事情似乎已經絕望。黑洞也許可以用來擺脫垃圾甚至人們的某些朋友。但是它們是「旅行者有去無歸的國度」。然而，我到此為止所說的一切都是根據利用愛因斯坦的廣義相對論所進行的計算。這個理論和我們迄今的一切觀測都吻合得極好。但是，由於它不能和量子力學的不確定性原理合併，所以我們知道它不可能完全正確。不確定性原理是說，粒子不能同時把位置和速度都很好地定義。你把一顆粒子的位置測量得越精確，則對它的速度就測量得越不精確，反之亦然。
1973年我開始研究不確定性原理會對黑洞有什麼改變。使我和其他所有人大吃一驚的是，我發現它意味著黑洞不是完全黑的。它們以恆定的速率發射出輻射和粒子。當我在牛津附近的一次會議上宣佈這些結果時，大家都不相信。該分會主席說，這些是沒有意義的，而且他還寫了一篇論文重申。然而，在其他人重複我的計算時，他們發現了相同的效應。這樣，甚至連該主席都同意說我是正確的。
輻射是如何從黑洞的引力場中逃逸出來的呢？我們有好幾種辦法來理解。雖然它們顯得非常不同，其實是完全等效的。一種方法是，不確定性原理允許粒子在短距離內旅行得比光還快。這就使得粒子和輻射能穿過事件視界從黑洞逃逸。然而，從黑洞出來的東西和落進去的東西不同。只有能量是相同的。
隨著黑洞釋放粒子和輻射，它將損失質量。這將使黑洞變得越來越小，並更迅速地發射粒子。它最終會達到零質量並完全消失。對於那些落入黑洞的物體，還可能包括空間飛船都會發生什麼呢？根據我的一些最新的研究，其答案是，它們會出發到它們自身的微小的嬰兒宇宙中去。一個小的自足的宇宙從宇宙中我們的區域分叉開來。這個嬰兒宇宙可以重新連接到時空的我們的區域。如果發生這種情形的話，它在我們看來顯得是另外一個黑洞形成並隨後蒸發掉。落進一個黑洞的粒子會作為從另一個黑洞發射的粒子而出現，反之亦然。
這聽起來似乎正是允許通過黑洞進行空間旅行所需要的。你只要駕駛你的空間飛船進入適當的黑洞，最好是相當巨大的黑洞。否則的話，在你進入黑洞之前引力就已經把你撕成意大利麵條。你可望在另外一顆黑洞外面重新出現，雖然你不能選擇在什麼地方。
然而，在這種星系際運送規劃中有一個意外的障礙。把落入黑洞的粒子取走的嬰兒宇宙是在所謂的虛時間裡發生的。在實時間裡，一位落進黑洞的航天員的結局是悲慘的。作用到他頭上和腳上的引力差會把他撕開來。甚至連構成他身體的粒子都不能倖免。它們在實時間裡的歷史會在一個奇點處終結。但是，粒子在虛時間裡的歷史將會繼續。它們將進入並通過嬰兒宇宙，而且作為從另外一顆黑洞發射出來的粒子而重現。這樣，在某種意義上可以說，航天員被運送到宇宙的另一個區域。可是，出現的粒子和航天員沒有什麼相像之處。當他在實時間中進入奇點時，也不會因得知他的粒子將在虛時間裡存活，而得到什麼安慰。對於任何落進黑洞的人的箴言是：「想想虛的」。
是什麼東西確定粒子在何處重現呢？嬰兒宇宙中的粒子數目等於落進該黑洞的粒子數目加上在它蒸發時發射的粒子數目。這表明，落入一顆黑洞的粒子將從另一顆具有大致相等質量的黑洞出來。這樣，人們可由創造一顆與粒子所落進的黑洞相同質量的黑洞，來選擇粒子出來的地方。然而，該黑洞會同等可能地發出具有相等總能量的任何其他的粒子集合。即便該黑洞的確發射出對頭種類的粒子，人們仍然不能告知它們是否就是落進另一顆黑洞的那些粒子。粒子不攜帶身份證。給定種類的所有粒子都顯得很相像。
這一切表明，穿越黑洞並非空間旅行的受人歡迎的可靠的辦法。首先，你必須在虛時間裡旅行才到達那裡，而不理睬你的歷史在實時間裡達到悲慘的結局。其次。你不能隨意選擇自己的日的地。這就像在我說不出名字的航線上旅行。
雖然嬰兒宇宙對於空間旅行無甚用處；但對於我們尋求能描述宇宙中萬物的完整的統一理論的嘗試卻意義重大。我們現有理論包括一些量，譬如一顆粒子所帶電荷的大小。我們的理論不能夠預言這些量。相反地，它們必須選取得和觀測相符合。可是，許多科學家相信，存在一種基本的統一理論，它能把所有這些量都預言出來。
很可能存在一種這樣的基本理論。所謂異型超弦是目前最有前途的候選者。其思想是時空充滿了許多像一根弦似的小圈圈。我們認為是基本粒子的實際上是這些以不同方式振動的小圈圈。這種理論不包含任何數值可以被調整的數。於是人們預料，這種統一理論應能預言出所有這些量的數值，譬如講一顆粒子所帶的電荷，那是現有理論不能確定而遺留下來的量。雖然我們還不能從超弦理論預言這些量中的任何一個，但是很多人相信，我們最終能夠做到這一點。
然而，如果嬰兒宇宙的圖像是正確的，我們預言這些量的能力就被降低。這是因為我們不能觀察到在那裡存在多少個嬰兒宇宙，等待著和宇宙中我們的區域相連接。有的嬰兒宇宙只包含一些粒子。這些嬰兒宇宙是如此之微小，人們覺察不出它們的連接和分叉。可是，它們連接上後就改變了諸如一顆粒子所帶電荷的量的表觀的值。這樣，因為我們不知道有多少嬰兒宇宙等待在那裡，所以我們就預言不出這些量的表觀值。也可能出現嬰兒宇宙的人口爆炸。然而和人類不同的是，似乎沒有諸如食物供應和站立空間的限制因素。嬰兒宇宙存在於它們自身的實在之中。它有點像問在針尖上可容納多少個天使跳舞的問題。
嬰兒宇宙似乎為大多數的量的預言值引進了一定的哪怕是相當小的不確定性。然而，它們可以為一個非常重要的量，即所謂宇宙常數的觀測值提供一種解釋。這是使時空具有膨脹或者收縮的內在傾向的廣義相對論方程的一項。愛因斯坦提出一個非常小的宇宙常數，原意是希望用以平衡物質使宇宙收縮的傾向。在人們發現宇宙是在膨脹後這個動機即不復存在。但是要擺脫宇宙常數決非易事。人們可以預料，量子力學隱含的起伏會給出非常大的宇宙常數。但是，我們能夠觀測宇宙的膨脹如何隨時間而變化，從而確定宇宙常數是非常小的。迄今為止，對觀察值為什麼必須這麼微小還沒有找到任何好的解釋。然而，嬰兒宇宙的分叉出去和連接回來會影響宇宙常數的表觀值。因為我們不知道有多少個嬰兒宇宙，宇宙常數就可能有不同的表觀值。然而，一個幾乎為零的值，是最有可能的。這是令人慶幸的，因為只有當宇宙常數非常微小時，宇宙才適合橡我們這樣的生物居住。
可以總結一下：看來粒子能夠落進黑洞，然後黑洞蒸發並從宇宙中我們的區域消失。這些粒子進入嬰兒宇宙中。這些嬰兒宇宙從我們的宇宙分叉出去。這些嬰兒宇宙可以連接回到其他的什麼地方。它們對空間旅行無甚用處，但是它們的存在意味著我們預言能力比所期望的更差，即便我們真的找到了完整的統一理論。另一方面，我們現在也許能為某些像宇宙常數的量的測量值提供解釋。過去的幾年裡，好多人開始研究嬰兒宇宙。我認為沒有人把它們作為空間旅行的方法而申請專利致富，但是它們已成為非常激動人心的研究領域。