黑洞到底存不存在？

黑洞是宇宙中最怪異的時空結構，任何物質包括光都無法從中逃離出來。雖然怪異，但今天的科學家大都認為，黑洞不僅是廣義相對論的理論產物，而且是真實存在的。通過觀測，天文學家已經發現了很多個黑洞，而且經常有新的黑洞被發現。例如，最近中國的天文學家就發現了人類已知的最大黑洞，質量大約為120億倍太陽質量。

但最近，美國物理學家勞拉·梅爾辛-霍頓發表了一篇文章，聲稱黑洞并不存在。雖然之前也有許多人這樣說過，例如英國物理學家霍金也曾說過“黑洞不存在”（不過他指的是字面意思）。但是梅爾辛-霍頓的研究極為特殊，看似無懈可擊。如果她是正確的話，那么物理學和天文學都得重新改寫。

那么是否要把黑洞扔進科學史的垃圾桶里？先別急著回答，首先我們來看看這位物理學家為什么認為黑洞不存在。

沒有黑洞，只有爆炸

霍金在1974年發現，盡管任何物質都無法從黑洞里逃離出來，但黑洞會產生輻射。這種輻射被叫做霍金輻射，它是一種量子現象，出現的原因是真空中會隨機出現一對“虛粒子”。這對虛粒子一個具有正能量，一個具有負能量，加起來為零。通常情況下它們出現后會彼此迅速湮滅掉，但是如果它們出現在黑洞的事件視界（即黑洞的表面）附近，那么其中的一個會掉進黑洞，另一個可以逃離黑洞。雖然有一個粒子已經掉到黑洞里面去了。但掉進黑洞的粒子具有負能量，會減少黑洞的質量。這樣時間一長，黑洞就會不停地產生粒子并向外輻射，并損失質量。

梅爾辛-霍頓的研究就是基于霍金輻射的。大多數的黑洞（即恒星級別的黑洞），是通過恒星的坍縮形成的。她認為，當恒星在晚年坍縮時，霍金輻射就已經出現了，這時會有負能量不斷注入恒星內核，并減少它的質量。這樣一來，負能量會產生一種排斥力，在恒星即將變成黑洞之前，恒星會因排斥力會停止坍縮，并反彈開來，這就根本就無法形成黑洞，所以她認為黑洞不存在。

可是，如果恒星級黑洞不存在，那天文學家成天觀測的是什么？

是的，弗吉尼婭，真的有黑洞

很顯然，黑洞是很難直接被觀測到的。另外，也無法通過霍金輻射直接看到黑洞，因為這種輻射太弱了。盡管如此，我們仍可以找到黑洞存在的證據。如果它們不是黑洞，也至少看起來像黑洞。

首先，被發現的黑洞很少是一個孤立系統。黑洞周圍常常有物質（通常來自伴星）圍繞或落入其中，這樣物質會在黑洞周圍形成吸積盤，就像不幸的船只被卷入漩渦中。物質越靠近黑洞速度就越快，物質之間會產生摩擦，生成熱量并產生X射線，并可被我們的望遠鏡觀測到。另外，黑洞對伴星的影響也可以被觀測到。

我們怎么知道我們所看到的就是黑洞呢？天文學家可以對它周圍物質（例如吸積盤和伴星）的運動情況進行分析，推測出這個物體的質量和體積，然后就可以使用廣義相對論來分析它是否足以形成一個黑洞。這個論證過程很難會有差錯，因為我們的力學理論和廣義相對論都經受住了各種考驗，而且準確地預測了各種現象。所以一位美國天體物理學家針對梅爾辛-霍頓的理論熱情洋溢地回復到：

“黑洞絕對存在，我們通過觀測就能知曉。我們通過圍繞銀河系中心恒星的軌道，知道那里有一個超大質量黑洞；我們知道有雙黑洞系統；我們已經發現了超過100萬個黑洞的紅外信號；我們知道有恒星級黑洞和中級質量黑洞；我們可以看見氣體云被黑洞的引力所撕碎；我們還可以獲取黑洞的照片（例如左面這張）。是的，弗吉尼婭，真的有黑洞。”（“弗吉尼婭”是一位8歲小女孩的名字，她曾寫信給《紐約太陽報》，詢問是否有圣誕老人。《紐約太陽報》回復中說：“是的，弗吉尼婭，真的有圣誕老人。”這句話成為一個句式，廣為流傳。）

有如此強有力的觀測證據證明黑洞是存在的，那么梅爾辛-霍頓的研究是怎么回事？如果她的研究沒有問題，那么如何解釋這些觀測結果呢？她后來回復說，我們所觀測到的很像黑洞，但它們沒有事件視界和奇點，我們應該給它們換個名字，因為它們不是黑的。但因為她所說的這個東西與黑洞很難區分，所以目前還無法驗證她的這種觀點。

這個模型是錯的

如果觀測證據表明黑洞真的存在，那么梅爾辛-霍頓的模型是否在哪個地方出錯了呢？其中一個嫌疑最大的地方就是負能量，這個可能是霍金輻射中最令人困惑的概念。當負能量進入黑洞內部，會使得黑洞損失質量。就是這么簡單嗎？負能量為什么會是負的呢？

美國天體物理學家安德魯·漢密爾頓指出，梅爾辛-霍頓把黑洞內的霍金輻射看成具有負能量的流體，具有排斥力，最終會使得黑洞反彈而不是形成奇點，這個理論是錯誤的。

漢密爾頓認為，霍金輻射只能在事件視界附近產生，如果不存在事件視界，那么就沒有霍金輻射。所以，當恒星在晚年坍縮時，霍金輻射就已經出現了的說法是錯誤的，因為沒有事件視界的出現。另外，霍金輻射產生的粒子在黑洞內部具有負能量，但是對于附近的觀察者來說這個粒子還是正的，不會對周圍產生排斥力，所以梅爾辛-霍頓所說的排斥力是不存在。因此，她的模型就有了問題。

其他一些科學家也認同漢密爾頓的觀點。另外還有人指出，霍金輻射作用十分微弱，根本沒有梅爾辛-霍頓所預期的那樣強。

沒有黑洞，就沒有悖論

另外，梅爾辛-霍頓的文章里提到了一個所謂的“火墻悖論”。火墻是霍金輻射粒子在事件視界上形成的一堵墻，會阻止新的物質向里面落入，但廣義相對論認為，觀測者穿過事件視界時不會注意到有任何變化，時空是光滑的。這個問題被稱為“火墻悖論”，而且目前還沒有達成一致的解決方案。但霍頓認為她的理論就是一種解決方案，因為黑洞根本不存在，那么就沒有什么火墻悖論了。

但是火墻悖論的存在，并不意味著黑洞不存在。黑洞產生火墻是通過量子力學得出的結論，而這結果與廣義相對論相矛盾，所以這種悖論本質上是廣義相對論與量子力學不相容的結果。我們可能需要一種能把廣義相對論與量子力學結合在一起的理論，才能真正解決火墻悖論。

其他種類的黑洞

另外一個問題，梅爾辛-霍頓的文章只考慮了恒星級黑洞，因為其他種類的黑洞可能由完全不同的機制形成的。

理論上，黑洞的質量可以是任何值。你可以把一個蘋果或任何其他的東西變為黑洞，只要你能把它壓縮得足夠小。甚至微觀黑洞都可以存在，但目前還沒有觀測到微觀黑洞，而且如何形成這種小的黑洞也尚不知曉。

另一面則是超大質量黑洞，其質量至少是10萬倍太陽質量，大的可達百萬倍太陽質量。超大質量黑洞是個神秘事物，因為我們還不清楚它們是怎么形成的。事實上沒有哪個恒星大到能夠坍縮成超大質量黑洞。

觀測顯示，每一個星系中心都具有超大質量黑洞，甚至最小的矮星系都有超大質量黑洞。而且觀測顯示，它們不可能不是黑洞。例如，銀河系中有一個非常光亮及致密的無線電波源，叫做人馬座A*，有很多顆恒星以不同的軌道圍繞著它，我們據此可以計算出這里含有的物質的質量和體積。結果表明，人馬座A*這里存在的物質具有很大的質量，超過400萬倍太陽質量，而且這些質量被限制在4400萬千米直徑的球體內（水星離太陽最近的距離約為4600萬千米）。根據廣義相對論，這里必然存在著一個黑洞。

另一種黑洞則是處在恒星級黑洞和超大質量黑洞之間的黑洞，叫做中級質量黑洞，質量可達數百個太陽質量或更多，天文學家還不清楚它們是怎么形成的。一些解釋認為它們可能是多個恒星級黑洞合并形成的，或宇宙大爆炸之后早期物質的坍縮。中級質量黑洞的是否真的存在還有待證實，不過目前已經發現了一些候選者。

梅爾辛-霍頓的模型與上面的情況不相符。即使她是對的，恒星級黑洞真的不能形成，那么也許可以通過其他途徑來形成黑洞。

總之，基于堆積如山的觀測證據證明黑洞是存在的，而一個新的理論的提出還不足以來把黑洞概念拋棄掉。不管怎樣，她的理論還是有價值的，值得物理學家和天文學家重新思考，雖然大多數的人并不是她理論的粉絲。