黑洞裡面是什麼？

黑洞裡面是什麼？

這是一個還沒有答案，也許永遠都沒有確定答案的問題。

故事要從100多年前講起。

1915年，愛因斯坦發表了偉大的廣義相對論理論。由於廣義相對論的場方程是二階非線性偏微分方程，愛因斯坦本人覺得應該不會有精確的解析解，而只能有近似解或者數值解。但是令愛因斯坦非常驚訝的是，僅僅幾個月之後，正在前線打仗的奧地利數學家史瓦西竟然得到了一個解析解，這就是點質量、無自轉和不帶電的引力場的解，今天被稱為史瓦西解。

這個解的一個性質是存在一個視界，在視界處紅移無窮大而且時間停滯。由於任何東西，包括光線，都是只能進去而不能出來，所以這個解也被稱為黑洞解，它的另外一個性質就是其中心是一個奇點，也就是所有的物理量都發散。所以根據這個解，黑洞裡面就是除了中心的奇點之外，其他地方什麼都沒有。

但是愛因斯坦不相信自然界存在物理量發散的物體，因此堅信這個解在自然界不存在，一定有當時未知的物理規律阻止奇點的形成，所以宇宙中不會有黑洞存在。當然今天我們知道宇宙中有很多黑洞，我本人就發現過黑洞，而且今年6月15號發射的慧眼天文衛星（我擔任該衛星的首席科學家）的任務之一就是尋找更多的黑洞。

那麼愛因斯坦錯了嗎？錯在哪兒？

我們知道，愛因斯坦是因為發現光電效應而獲得諾貝爾物理學獎的，而這是量子力學的奠基性成就。根據廣義相對論，黑洞中心的奇點處的體積必須是無窮小（而這就是物理量發散的原因），但是量子力學的不確定性原理不允許出現無窮小的體積，因此在那個地方應該是引力效應和量子效應同時都非常強烈的區域，也就是量子引力效應起作用，但是我們目前還沒有能夠自洽地描述量子引力的物理學理論，因此我們並不知道那裡到底在發生什麼。電影《星際穿越》的科學主題就是派宇航員到黑洞中心獲得「量子引力」的數據，用來檢驗電影中的布蘭教授的引力理論。

還有一類模型認為不僅僅是黑洞中心的情況需要用到量子效應，就是在物質進入黑洞的過程中也需要考慮量子糾纏效應。在這種情況下，黑洞視界內部靠近黑洞視界的區域就必須有高能粒子的存在，被稱為黑洞的「火牆」。但是火牆是否存在並沒有定論。

最後，要問黑洞內部的情況，還需要說明使用的參考系和時鐘。

上面這些情況都對應一種參考系，也就是在黑洞的引力場中做自由落體進入黑洞觀測者的參考系，用的時鐘是他自己攜帶的時鐘。但是我們知道，根據廣義相對論，不同引力場中的時鐘走的快慢是不同的，即使他們一開始把時鐘對準，他們離開之後時鐘就不可能繼續同步了。所以，如果用黑洞外部觀測者的時鐘計時，那麼得到的結論很可能會很不同。情況其實也正是這樣。

根據廣義相對論的所有教科書中給出的經典例子，如果使用外部觀測者的時鐘，那麼即使經過無窮長的時間，物質也不可能進入黑洞，因此對於（還）沒有進入黑洞的我們來講，黑洞裡面實際上什麼都沒有！所有落向黑洞的物質都被「凍結」在黑洞的視界外面了！因此可以說，宇宙中根本就沒有黑洞！

但是我和我當時的學生劉元深深地懷疑廣義相對論的這個「經典」結果，因此於2009年發表了一篇文章，推翻了上述結論。

我們的計算仍然是基於廣義相對論做的，但是和以往的所有計算都不同，我們考慮了落向黑洞的物質的質量對黑洞的度規的影響，做了完全自洽的動態度規的計算。我們的計算髮現，即使對於外部觀測者，物質可以順利進入黑洞，所以宇宙中可以很自然地形成黑洞！但是我們計算的另外一個結果則更加令人吃驚：

進入黑洞的物質在外部觀測者有限的時間內不會到達中心，因此物質在黑洞內部處於分佈狀態，物質的分佈情況完全取決於物質落入黑洞的歷史，但是中心處空空如也，也就是黑洞中心沒有奇點！

因此，愛因斯坦沒有全錯：宇宙中的確沒有奇點，但是有黑洞！