黑洞内部的奇异物理学与独特景象

时值十二月下旬，雪花飞舞，安德鲁·汉密尔顿骑着自行车缓缓驶入他在科罗拉多大学博尔德校区的办公室，该校区位于落基山脉的山麓。在像今天这样刮风的日子里，他的大多数同事都会开着SUV，或者至少是装着全天候轮胎的汽车。而汉密尔顿则骑着他的Cannondale山地车抵达。

遵循自己的道路对汉密尔顿来说不仅仅是一种消遣，更是他职业生涯的精髓。十五年来，这位天体物理学家几乎独自一人深入宇宙最黑暗、最不可穿透的部分：黑洞内部。“我不是教徒，但我与教徒们一样，渴望了解我们宇宙的真相。我专注于彻底理解黑洞的内部结构，”他说，他的英式口音为他的话语增添了严肃和力量。同事们称这项探索是疯狂的，或者简直是徒劳的，他们坚持认为黑洞的内部结构极端到不仅无法探索，甚至无法理解。汉密尔顿是一位体格健壮、59岁的男人，一头沙金色头发，他却将这些疑虑一扫而光。“我并不一定会避开别人认为是疯狂的事情，否则我永远不会开始这项黑洞研究。我是一个喜欢逆境的人。我喜欢挣扎。尝试战胜困难很有趣。”

黑洞是自身坍缩的巨大天体，其引力吸力如此之强，以至于其内部与宇宙的其他部分隔绝。黑洞的外部边界，被称为事件视界，是一个不归点。一旦被困在里面，没有任何东西——甚至光——都无法逃脱。中心是一个核心，被称为奇点，它无限小且致密，是对所有已知物理定律的冒犯。由于没有任何能量，因此也没有任何信息可以离开那个黑暗的地方，所以试图向内窥探似乎是异想天开。就像拉斯维加斯一样，黑洞里发生的一切都留在黑洞里。

当其他科学家看到科学探究的终点时，汉密尔顿却看到了起点，一个通往非凡而未探索的领域的入口。他描绘了一幅时空瀑布倾泻过事件视界，进入一个内部区域的景象，“所有曾落入黑洞的光和物质都堆积在那里，发生一场巨大的碰撞，产生能量的旋涡和一道无限明亮、令人目眩的闪光。”然后，他跳进自己的桶里，纵身一跃。

汉密尔顿的工作带有迷人的个人痴迷色彩，但也具有巨大的意义。黑洞与我们宇宙中一些最基本的现象息息相关。它们可能是宇宙最早的结构之一，影响着我们银河系等星系的形成和演化。几乎每个大型星系的中心都隐藏着一个巨大的黑洞，其质量是我们太阳的数十亿倍。更小的黑洞（通常质量是太阳的数倍）是由超亮恒星的爆炸性死亡产生的，因此这些黑暗天体揭示了恒星生命周期的秘密。仅我们银河系就可能包含1亿个这样的天体。由于黑洞与大爆炸之间的相似之处，黑洞可能有助于解释宇宙是如何形成的。在一些奇异的物理学理论中，它们甚至可能包含虫洞——假想的时空捷径——或者充当其他宇宙诞生的温床。

“黑洞是储存宇宙一些最基本真理的金库，”汉密尔顿说。通过应用物理定律，他正试图解开其中的秘密。

穿越星门

汉密尔顿的黑暗之心之旅始于无意，当时他只是在履行他最直接的职责：在科罗拉多大学教授本科天文学。那是1996年，汉密尔顿让一些学生为大学的菲斯克天文馆制作一个黑洞表演。他们创作了各种简短的演示，突出这些天体物理学对象的不同方面。在演示的最后，学生们附加了一段40秒的《星际之门》片段，这是一部1994年的电影，其中一位埃及古物学家（詹姆斯·斯派德饰）穿过“星门”的液体状表面，这是一个20英尺宽、装饰着象形文字的环，提供了通往平行世界的通道。汉密尔顿的心沉了下去。电影的布景与真实的物理学毫无关系。但当斯派德穿过虫洞，遇到色彩斑斓、迷幻的几何图案和流光溢彩的景象时，学生们欢呼起来，汉密尔顿开始改变主意。基于科学的视觉化可以成为一种有效的方式来教人们了解黑洞——“也许是最好的方式，”他想。他发誓要创造自己的黑洞下降描绘，一个不基于好莱坞的戏法，而是基于他能找到的最佳物理学。

汉密尔顿当时对黑洞知之甚少，但他拥有许多相关的专业知识。多年来，他一直在研究宇宙的起源，通过逆向追溯从当前星系排列到大爆炸后时代的情况。汉密尔顿意识到，黑洞可以被视为一种逆向的大爆炸。它不是从一个无限小的点向外爆炸，喷射物质、能量和空间来创造宇宙，而是将一切向内拉向一个单一的致密点。无论是在黑洞还是在大爆炸中，最终的点——奇点——都是一切开始的地方，也是一切可能结束的地方。然而，一个重要的区别是，大爆炸发生在大约137亿年前。黑洞则数量众多，几乎无处不在，而且它们现在就存在。

黑洞与大爆炸之间的这种联系，触及了现代物理学中最紧迫的谜团之一：如何协调支配我们所居住的宏观世界和支配看不见的亚原子领域的定律。行星、恒星和星系似乎遵循阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，该理论描述了引力与时空弯曲。（根据爱因斯坦的理论，质量会使空间和时间弯曲，导致物体向其下落，并产生我们感知到的引力现象。）另一方面，像原子和电子这样的小尺度物体似乎遵循截然不同的量子力学定律。这两套规则最终必须结合起来，但物理学家仍在努力弄清楚如何结合。对于大爆炸和黑洞来说，这种脱节尤其明显，因为它们在演化过程中占据了尺度的极大和极小两端。“我读研究生时对广义相对论很感兴趣，”汉密尔顿说，“这个项目让我能够同时研究广义相对论并制作电影。”

尽管任务艰巨，汉密尔顿的起步却很平实。他将黑洞的已知属性输入到一个基本的计算机图形程序中。这仅仅涉及应用爱因斯坦的相对论方程，这些方程描述了光线在接近黑洞时将如何弯曲。汉密尔顿的最初、简单的影片是粗犷且卡通化的，但它们达到了目的：展示当你从外部接近然后进入黑洞时，不同类型的黑洞可能是什么样子。在一个动画中，观察者飞过一个星系，然后坠入一个由球形红色网格表示的黑洞事件视界。另一部影片则展示了一个粉红色的平行宇宙，然后观察者在奇点处结束。在第三部影片中，当观察者进入内部时，事件视界分裂成两半——这是一个奇异的效果（后来经汉密尔顿验证），最初让一些评论家相信这些模拟一定存在缺陷。

从那时起，事情以汉密尔顿从未计划过的方式发展。2001年，丹佛自然科学博物馆的高管拜访了汉密尔顿的部门，提出了一个建议。他们正在建造一个新的天文馆，配备最先进的数字投影系统，他们需要帮助开发引人注目的节目。“这是一个巨大的机会，可以将黑洞搬上穹顶，并将我的可视化提升到新的水平，”汉密尔顿说。

他如此兴奋，以至于休了一年假，专心开发

比他之前使用的现成程序功能强大得多的可视化软件。他从一个为创建视频游戏而设计的界面开始。然后他结合了爱因斯坦方程的现有解决方案，生成了黑洞模拟，这些模拟“能够展示如果你身处其中，实际会是什么样子。”这些虚拟黑洞比他最初的渲染更复杂、更逼真，因为用户可以调整黑洞的大小，选择喂食何种物体，并改变视角来观察事件的展开。他最终的软件包有超过10万行代码——其复杂程度堪比科学家在世界上最快的超级计算机上使用的建模程序。

汉密尔顿的黑洞模拟器引起了关注，2002年他受邀合作制作一部关于黑洞的《新星》纪录片。就在那时，汉密尔顿不得不面对一个痛苦的真相：他迄今为止所有的可视化都基于他人的计算。尽管他担任了一部电视节目的科学总监，解释如果有人掉进黑洞会发生什么，但他还没有通过爱因斯坦方程来描述现实环境中引力与时空弯曲的繁重工作。例如，天文学家知道，在一些星系中心，黑洞每年会吸入大量的气体——相当于我们整个太阳系的质量。标准理论认为，黑洞的强大引力将所有这些物质拉向中心的奇点，在那里，我们所知的时空都终结了。但这真的对吗？所有这些宇宙碎屑在前往核心的旅程中发生了什么？

跨越卢比孔河

解决这些问题意味着汉密尔顿必须再迈出一步，详细研究相对论方程。在爱因斯坦的引力几何概念中，像太阳这样的大质量物体会使时空结构凹陷，就像一个大个子压弯蹦床表面一样。地球沿着太阳周围弯曲的空间形状运动，这就是为什么它以圆形轨道运行；这一描述已通过实验高精度验证。

十个相互关联的方程——爱因斯坦场方程——精确地描述了在任何给定物质和能量分布下，时空是如何弯曲的，即使对于黑洞这种极端情况也不例外。然而，汉密尔顿知道他将面临一段坎坷的旅程。对于常规物体来说，相对论已经足够令人困惑。对于黑洞来说则更加奇怪，因为这样的物体不仅仅使时空凹陷；它创造了一个不连续点，一个在 otherwise smooth fabric 中间无底的深渊。

汉密尔顿试图通过从不同角度审视黑洞来使问题更易于管理。他提出了一种新的类比来描述当某个东西或某人接近黑洞事件视界时发生的情况，将其比作瀑布坠入深渊。一条鱼可以在边缘附近游泳并安全滑走——除非它离得太近，在这种情况下，无论它如何抵抗，都会被拖过悬崖。类似地，任何物体甚至任何形式的能量都会被一个不断倾泻入黑洞的空间“瀑布”卷过事件视界。如果一支手电筒滑过这个比喻性瀑布的边缘，不仅手电筒，连它的光束也会被吸入。汉密尔顿将黑洞描述为“一个空间以超光速下落的地方。”（任何物体都不能以超光速穿越空间，但对空间本身移动的速度没有限制。）

汉密尔顿八年前开始思考黑洞时，他从一个被称为史瓦西黑洞的简单描述开始，这是一个没有电荷或自转的假想物体。但现在，他希望在严肃的科学期刊上发表文章，他考虑了一个更复杂，尽管仍然理想化的版本：一个不旋转但带有电荷的黑洞。自然界中的黑洞不会积累可观的电荷，但事实证明，带电黑洞是研究更真实的旋转黑洞的便利类比。

汉密尔顿还认识到真实的黑洞并非孤立存在，因此他使用计算机模型来“喂养”他的黑洞。原子、光、暗物质、厨房水槽——所有这些都是这个贪婪虚空的原料。每一步接近现实都使模型复杂得多。“如果黑洞周围什么都没有，你会得到标准解，”汉密尔顿说。“但如果你引入哪怕是最微小的物质或能量，整个纸牌屋就会坍塌。”

汉密尔顿使用计算机模型的时间越长，他就越意识到黑洞内部的奇异之处。一个带电黑洞实际上在定义其外部边界的主事件视界内部还有一个次级边界——内视界。物理学传奇人物罗杰·彭罗斯是第一个指出内视界处必然会发生一些奇怪事情的人，因为所有落入黑洞的物质和能量都堆积在那里。现在汉密尔顿希望以一种具有物理意义的方式将这些条件可视化。因此，他不断将他日益现实的假设输入计算机，并一次又一次地解决爱因斯坦的场方程，每次都对涌现的结果感到惊叹。

黑洞魔法

汉密尔顿发现，内视界可能是宇宙中最具能量和极度不稳定的地方。基于安大略省圭尔夫大学的物理学家埃里克·泊松和不列颠哥伦比亚省维多利亚大学的维尔纳·以色列的开创性工作，他将内视界处的条件描述为“膨胀不稳定性”。之所以是膨胀的，是因为一切——质量、能量、压力——都呈指数级增长。之所以不稳定，是因为根据汉密尔顿的计算，该表面——内视界——无法维持自身，最终必然会坍塌。

然后事情变得更加离奇。为了追求真实性，汉密尔顿考虑了一个旋转黑洞的情况（正如宇宙中所有已知物体，甚至可能宇宙本身都在旋转），并将其输入他的计算机模型。作为测试，他将假想粒子投入他的黑洞，看看会发生什么。他发现，当粒子落入黑洞并接近内视界时，它会被分流到两个狭窄聚焦的激光状光束中的一个。如果粒子以与黑洞旋转方向相反的方向进入，它将加入一个具有正能量并顺时间向前移动的“内向光束”。但这里才是真正的脑力激荡：如果粒子以与黑洞旋转相同的方向进入，它将加入一个具有负能量并逆时间向后移动的“外向光束”。

汉密尔顿试图从物理上理解这些抽象的概念性见解，他发现内视界充当了一个惊人强大的粒子加速器，使内向和外向光束以接近光速的速度相互穿过。他说，这个图景是“仅仅通过凝视数学，通过凝视爱因斯坦方程”得出的。在膨胀区，这些方程使引力以一种非常不寻常的方式表现。这个图景非常反直觉，尽管人们最终会习惯它。”

一个随外向光束移动的人（如果这可能的话）会认为他正在远离黑洞，而从旁观者的角度来看，他实际上正被拉向黑洞的中心——这与随内向光束移动的人不可避免地要去的地方是同一个地方。汉密尔顿意识到，尽管双方都在向中心移动，但时空的极端弯曲会导致他们感觉自己在向不同的方向坠落。

这个粒子加速器还有另一个奇特的属性：一旦启动，它就永不停止。流速越快，能量就越多；能量越多，引力就越大，粒子加速得就越快。“我看着这个，看到一台具有非凡力量和狡诈的机器”，它能量呈指数级增长，却并非凭空产生，汉密尔顿说。“如果广义相对论是正确的，那么这台机器就存在，并且能够将粒子加速到巨大的能量，达到——甚至超过——大爆炸。那么大自然会如何处理所有这些能量呢？它会全部浪费掉吗？”

这场大火的一个潜在后果是大量迷你黑洞的产生，每个黑洞最初都比原子小得多。那么，黑洞内部可能包含着大量密集的较小黑洞。这些迷你黑洞将隐藏在事件视界之后，但它们会影响其母黑洞的内部演化。它们会相互结合，捕获 stray 粒子并稳步增长，从而加速整个系统向中心奇点的坍缩。

从汉密尔顿的角度来看，一个更令人兴奋的可能性是，黑洞的内部加速器可以催生出全新的宇宙。根据一些宇宙学模型，我们的宇宙始于某个其他、先前存在的宇宙中的一个极端能量的小点，然后泡沫般膨胀，创造出属于它自己的完整现实。类似的事情可能发生在黑洞内部，一个婴儿宇宙以一个小气泡的形式在内视界形成。一瞬间，这个婴儿将通过一种脐带，一个微小的虫洞，与它的“母亲”相连。然后，这个婴儿宇宙将脱离，去追求一个完全脱离我们世界的命运。“如果我们的宇宙中有任何地方正在创造婴儿宇宙，那很可能发生在黑洞内部，”汉密尔顿说。“而这个内视界附近的膨胀区就是这个过程可能发生的地方。”

汉密尔顿的发现对任何希望跳入黑洞并穿越到另一个地方或另一个宇宙的人来说都是坏消息。内视界处的高能粒子轰击会瞬间使人类旅行者蒸发。“‘蒸发’这个词虽然准确，但有些不足，仅仅因为我们没有一个词来描述这种程度的暴力，”汉密尔顿笑着说。实际上，一个人坠入内视界会比被分解成构成粒子更惨。“你身体里的那些粒子，”汉密尔顿解释说，“然后会以普朗克尺度能量撞击迎面而来的粒子”——这些条件与大约10^-35米距离和比大型强子对撞机所能达到的能量高约一万亿倍的能量相关。这远远超出了单纯的蒸发。

“也许我们应该称之为‘普朗克化’，”汉密尔顿开玩笑说。

回到地球


今年汉密尔顿再次休假。除了研究内视界或撰写一本关于黑洞的科普书籍外，他还花时间陪伴他的妻子凯瑟琳。凯瑟琳也和他一样拥有不羁的个性：她创办了自己的公司，制作和销售无残忍的毛绒动物，这些动物可以像奖杯般的驼鹿头一样挂在墙上。公司的库存还包括汉密尔顿最小的女儿，一位名叫野玫瑰的艺术家设计的手提包。

但正如汉密尔顿反复学到的，逆潮流而动在科学界也有其劣势。“我怀疑我对广义相对论的了解比科罗拉多州的任何人都多，”他说，“我很少有人可以交流。”他承认，在极少数情况下，当他遇到具有相似专业知识的人时，他会像水蛭一样紧贴着对方，提出脑海中积压的大量问题。

他回忆起1998年第一次见到基普·索恩的情景，索恩是加州理工学院的广义相对论和黑洞专家，当时他拜访了博尔德校区。“我们为索恩举办了一次特别晚宴，用餐开始时，每个人都争着坐在他旁边。但我们决定，晚宴进行到一半时，我们将按照某种算法轮换座位。我计算出我最初应该坐在哪里，这样我才能在下半场坐在他旁边，果然，我最终坐在了他的右边，并用问题烦了他一整晚，”汉密尔顿笑着说。那天晚上他专心听索恩的话，但他显然没有注意一些告诫。“他告诉我，‘无论你做什么，都不要穿过黑洞的内视界！’”

汉密尔顿作为不墨守成规者的最新挣扎不那么有趣。他撰写了一部关于旋转黑洞的三部曲论文——这些数学论著阐明了他希望在他的下一个可视化作品中展示的内容——并提交发表。四月，所有三篇论文都被享有盛誉的《经典与量子引力》（Classical and Quantum Gravity, C&QG）期刊拒绝。这个决定是在数月的同行评审之后做出的，这个过程对汉密尔顿来说总是漫长的，因为他的同行很少；几乎没有其他人在这个领域工作。

当审稿人要求汉密尔顿提交一篇更抽象、不包含描述黑洞内部实际发生情况的方程的论文时，他断然拒绝，转而将论文提交给一本同样享有盛誉的期刊，该期刊目前正在审议中。就像1990年代中期不接受他的计算机动画视觉输出的理论家一样，《经典与量子引力》的编辑似乎不愿接受汉密尔顿将抽象与具体融合的尝试。“这些论文中包含物理学内容非常重要，”他说，“否则我所描述的一切都会看起来像是魔法。”

尽管面临这些障碍，汉密尔顿仍得到了一些曾活跃于他这个高深领域的物理学家的鼓励。“我很高兴安德鲁决定重新拾起这项研究，”埃里克·泊松说，他大约20年前放弃了类似的研究方向。“他接手旋转[黑洞]的情况，是向前迈出的重要一步。”

泊松以前的合作者维尔纳·以色列对汉密尔顿所取得的成就感到惊叹。“他显然是一位电脑奇才，”以色列说，“现在有一种强烈的观点认为，理论物理学应该局限于可以通过观测验证的事物，但我认为这是一种狭隘的观点。我说理论的作用是利用任何可用工具来发现事物，最终目标是确定真相。当涉及到探索黑洞内部时，理论是唯一可用的工具。而且它在一定程度上是可靠的。”

把《星际之门》抛在脑后，汉密尔顿继续前进。“我对我的工作正确性充满信心，”他说，“这就像一个拼图：拼凑起来非常困难，但一旦你解决了它，你就知道它是正确的。”他的目标是继续穿过内视界， menuju 黑洞中心，核心处的奇点。这是一个所有已知物理定律，甚至相对论和量子力学都失效的地方。他甚至正在研究黑洞可能拥有多个奇点，或者根本没有奇点。

“我们还没有穿过内视界，”汉密尔顿说。但当他穿过时，请期待另一边的一个全新宇宙。他没有像斯派德那样通过虫洞前往另一个星球，而是踏上了一段奇特的奥德赛之旅，前往一个全新的物理领域，这可能有助于解释我们的宇宙从何而来，或者表明我们的宇宙只是一个更宏大多元宇宙中的一个。“也许婴儿宇宙可以被创造；也许不能，”汉密尔顿说，“但我认为，如果不审视黑洞内部膨胀区正在发生的事情，并尽我们所能理解物理学，我们就无法探索这个问题。”他唯一确定的是，“这是一个未知领域。在你冒险进入之前，你永远不知道会发现什么。”