黑洞是宇宙中最神秘、最令人敬畏的现象之一。它们会吞噬周围的一切，将物质撕得粉碎，同时让剩下的东西凝固在原地，直到永远。

黑洞的核心似乎是一个违背了所有已知物理定律的地方。它极为严重地扭曲了周围的空间和时间，借此隐藏在单向的屏障——视界后面，与宇宙的其他部分完全隔绝开来。面对黑洞中心本身夸张的时空曲率，只要我们妄图计算它（爱因斯坦的方程称它是无穷大的），我们所有的一般认知都会被打破。而且黑洞会吸收周围越来越多的物质，变得越来越重。

但事实真是如此吗？黑洞能永生吗？还是说这些引人入胜的庞然大物和宇宙中的其他事物一样，寿命是有限的？

黑洞方程式：没有量子物理学就不完整！

我们对黑洞的一切了解都来自对爱因斯坦于1915年发表的方程的研究。如果你懂爱因斯坦的方程，那前面问题的答案就很清楚了：我们无法让黑洞消失。不管你为了改变它做了些什么，都只能让它变得更大。不过，就算爱因斯坦本人也在发表一年后的1916年说过，他的方程需要修改，以便将量子物理学的效应考虑在内。可惜这一壮举至今仍未完全完成。

然而，即使你没有完全统一空间、时间和量子的原理，也可以对黑洞做出一些说明。1974年，年轻的物理学家斯蒂芬·霍金仔细思考了此事：如果一切穿过视界的东西都消失了，并被加到黑洞的总质量上，那么有没有可能通过送入一些负能量的东西来减少它的质量呢？当时，他并没有想到奇异物质，而是想到了量子物理学中的守恒定律，以及真空起伏。

我们知道，从量子物理学的视角来看，看似空无一物的空间其实从来都不是空的；相反，真空中会不断冒出成对的粒子和反粒子，它们凭空产生，转而又消失于无形。在短时间内，真空中发生的事可以违反能量守恒定律，同时产生质量/能量。然而，违反的程度越大，该状态维持的时间越短。从长远来看，事情势必要遵守能量守恒定律。

霍金和他的辐射

霍金想，如果一对粒子-反粒子在非常接近视界、可以说刚好在视界外的位置诞生，会怎么样呢？此外，如果它们的路径正好让其中一个远离视界，让另一个跨过视界，进入黑洞呢？根据霍金的计算，躲过黑洞的那个粒子携带着一定的能量，由于从长远来看事情必须遵循能量守恒定律，所以这种能量一定来自某个地方。事实也确实如此：它是从黑洞中带出来的！

实际的计算并不难（和所有革命性的想法一样，几十年后大家看了都会说“一看就知道是这么回事！”），但物理上的解释就没那么容易了。关于发生的事我们还有一种解释方式：经过一段时间的分离后，可以打破能量守恒的两个虚拟粒子变成了实粒子；但实粒子必须遵守能量守恒定律，又由于躲过黑洞的粒子带有正能量，被黑洞捕获的粒子势必带有负能量，因此它坠入黑洞后有效地减少了黑洞的质量。

关于发生的事，我们还有与前一种解释相当的解释，创造粒子-反粒子对所需的能量是从黑洞的引力场中获取的。如果其中一个粒子逃掉了，而另一个没有逃掉，那么借出的能量只有一半能返还给黑洞，因此黑洞的引力能量，即质量，受到了一点小小的损失。

黑洞会蒸发吗？

对于计算出来的结果，不管你如何进行精确解释，现在人们都坚信，黑洞一定有损失能量的方法。换句话说，它们并不完全是黑的！飞离黑洞的粒子看起来应该像是某种来自远方的热辐射。这就是所谓的“霍金辐射”。它让人觉得黑洞的温度比绝对零度要高！

但更有趣的是，通过逐渐失去质量，黑洞最终可以蒸发成一片虚无。嗯，至少从理论上讲是这样的。一个太阳大小的黑洞温度大约只有几纳开尔文（1纳开尔文=10-9开尔文），比宇宙微波背景的温度要低得多。所以，充满整个宇宙的大爆炸余晖在补充损失的质量，其速度比霍金辐射带走质量的速度还要快。然而，如果宇宙的某个地方存在重量只有几千克的黑洞，那么它的辐射速度就会快得多，几个星期就会蒸发掉！不过这样的黑洞不可能是由宇宙中通常的机制产生的，因为恒星死亡而产生的黑洞至少要有几个太阳的质量。

其实，在2010年粒子加速器LHC启动前，就有人担心它的能量会制造出小型黑洞，然后黑洞越变越大，最终毁灭整个地球！结果，截至2016年，也就是写这本书的时候，世界还没有毁灭。但是，即便LHC在运行过程中创造出了一些微小的黑洞，它们也很轻，可能只消几分之一秒就蒸发掉了！

其实，霍金的所有计算都只适用于恒星大小的黑洞。关于真正较小的黑洞，我们对它们的蒸发过程根本不了解。我们预计霍金辐射越强，黑洞越轻；但关于它的最后阶段，特别是它最后一点蒸发掉时的情况，我们现在还一无所知。不过，量子引力研究者提供了一些（推测的成分极大的）想法。

普朗克恒星和白洞

其中一个想法是，黑洞的中心并非一个奇点，而是一颗普朗克恒星。那应该是一个非常小的区域：空间和时间都是高度量子化的；曲率非常大，但不是无穷大；引力收缩与量子力学效应本身相抵消，此外起到显著抵消作用的是海森堡不确定性原理。这一切可以使黑洞保持稳定。

缩小的黑洞（它必须已经相当小才行，质量大概与地球相仿或者比它更轻）会有不断缩小的视界，而它内部的普朗克恒星的规模会越来越大，同时越来越多的质量将落入黑洞。两者相遇时，被困在里面的全部物质会自然地释放出来，发生巨大的爆炸，与广义相对论方程中描述的白洞非常类似。目前这在很大程度上都是推测，但位于法国马赛的物理理论中心的研究人员称，实际上已经有天文学家测量到相关信号，看起来与白洞的样子非常相似。宇宙中是否真的存在白洞，目前还不清楚，但我们看到了一些令人兴奋的可能性。也许黑洞终究不是不朽的。