史蒂芬·霍金对黑洞物理学的第一个贡献与黑洞视界（eventhorizon）有关，这是定义那些奇异天体的一个关键概念。通俗一点说，物理学家一直认为黑洞是空间的一个区域，在它巨大引力作用下，没有什么东西能从中逃逸。这个区域可以看成是由黑洞的视界所界定的。

黑洞视界（黑洞视界是什么意思）

黑洞吞噬行星，多余气体从黑洞中逸出

用罗杰·彭罗斯的话来说,黑洞视界是“试图逃离黑洞却被引力拉回的最远位置的光子(光)所构成的界面”,黑洞视界这个名字是通过类比的方法造出来的一一就像在地球上的我们在太阳划过地球的地平线后就看不到它了一样,在外部观察的人也看不到划过了黑洞的“地平线”的物体。

2020年诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯

罗杰·彭罗斯以精确的数学方法定义了黑洞。他的表述很合理,之后很快就成为了标准。但当史蒂芬研究黑洞物理学时,他意识到彭罗斯黑洞视界实际上就是“智力上的死胡同”(借用基普·索恩的话来说)。 彭罗斯的方法有两个问题。第一个问题触及了相对论的灵魂,即不同观察者之间的观测结果的不一致。根据相对论的观点,不同的观察者能够观测到的空间区域的大小、形状以及持续时间的结果都不一致这取决于他们所处环境的引力强度和他们相互之间的运动情况。如此下去会使分新结果一团糟。但有一种方法可以解决这个问题:研究人员可以只专注于那些不依赖观察者而定义的概念。这样做有很多好处。首先,它确保发现的规律和现象适用于每个人:其次它的数学表述更简单;最后,也是最重要的,它能大大增强我们解释方程的能力。根据彭罗斯的定义,对于不同的观测者来说,黑洞的边界是不一样的。比如说,某个掉进黑洞里的人,和某个盘旋在黑洞外的人看到的彭罗斯视界可能是不一样的。所以应该以哪个为准?从不同角度观测到的黑洞视界总是不一样的。 彭罗斯方法的另一个问题是,按照他的方法所定义的黑洞视界会发生不连续的跳跃。例如,当一团新物质掉入黑洞时,黑洞会变大,黑洞视界也会突然变大。在复杂的情况下,比如当两个黑洞碰撞时,视界的跳跃会很怪异,难以在研究中描述。 彭罗斯也知道自己的研究存在这些问题,但他坚持自己的定义。在1971年头几个月里,史蒂芬开始意识到,思考黑洞视界的一个更有效的方式是把它看成“时空”里的一个区域,而不是像彭罗斯那样,把它看成在某个既定时刻的空间区域。所以史蒂芬把视界重新定义为时空领域的边界,进入它范围的信号(比如光线),无法发射到外面的宇宙空间。他从数学上证明了这个定义弥补了彭罗斯方法的两个弱点,表明黑洞视界对所有观察者来说都是一样的,而且它总是平稳地变化,不会发生跳跃式的变化。 如何才能理解这两种定义之间的区别呢?我们可以想象一个黑洞,它的周围有一些总量巨大的物质碎片,这些物质发生内爆,很快就会被黑洞吞噬。再想象一下,黑洞的外面还有一艘小小的飞船,试图逃逸它的引力作用,离开这个区域。飞船的火箭发动机喷射出火焰以推动自身离开。由于它处在黑洞之外,有人会觉得它可能逃脱得掉。然而,在质量巨大的物质被黑洞吞噬的那一刻,黑洞会变得更大,如果吞噬的物质足够多,黑洞就会包围火箭,火箭根本无法逃脱。 参照彭罗斯的定义,我们会这样描述此类事件:火箭开始是在黑洞的视界之外,过了一会儿,当巨大质量被吞噬时,彭罗斯视界向外跳跃式膨胀,把火箭包含在内。虽然火箭一开始就不可能逃出黑洞,但最初的彭罗斯视界并没有反映出这一点;根据这一观点,火箭是在巨大质量被黑洞吞噬后才被吞噬的。

黑洞及其附近扭曲时空

史蒂芬对视界的定义要求你了解时空的全部历史,包括它的整个未来发展,不过在实际应用中,在时空中甚为遥远的物体可以被忽略。物理学家认为由未来事件定义的概念是“目的论导向的”(teleological)。这个术语是从哲学家那里借用来的,哲学家们用它表示那些依照最终目的而不是直接原因来解释现象的情况。 早在亚里士多德时代,哲学家们就开始用目的论来思考自然界。科学告诉我们,下雨是因为云中的水汽凝结成水滴,而水滴密度比空气大,因此下落。但在亚里士多德看来,还有另一个原因:下雨是为了让植物生长,给人们提供食物。他相信,未来的需求塑造了现在的存在。我们也都是这样做人生决定的,只不过因个体差异而略有不同。例如,如果午餐时有人给你一块芝士蛋糕,在决定吃不吃之前,你可能会先考虑一下晚餐要吃什么,而不是先考虑你此时此刻想不想吃。然而,在物理学中,力发挥作用和物体受力反应是在当前条件下发生的、所以虽然在日常生活中我们常常用到目的论,但在物理学中却很少使用、史蒂芬对视界的目的论定义极富创造力。若不是他性格大胆,勇于探索,也不会沿着这条路探索下去,很多人,比如彭罗斯本人,很快就放弃了这个研究 表面上看,理论家如何界定黑洞视界,其定义之间的细微差别似乎并不重要,因为一个术语的定义只是物理学家做出的选择,而不是对大自然的叙述。但是我们发明的概念会影响我们产生的想法和我们得出的结论。随着时间流逝,史蒂芬的定义后来被证明是一个巨大的进步,并被学者广泛引用。它引导了这些人的思考,塑造了他们头脑中黑洞的演变过程。史蒂芬将他定义的视界概念起名为绝对视界(absolutehorizon),彭罗斯的视界起名为表观视界(apparenthorizon)以此来区分它们。史蒂芬重新定义的不仅仅是视界,还有理论家对于黑洞的认知方式。

文章摘自：《爱即生命——史蒂芬·霍金诞辰80周年纪念礼盒》作者：列纳德·蒙洛迪诺

《爱即生命——史蒂芬·霍金诞辰80周年纪念礼盒》作者：列纳德·蒙洛迪诺湖南科学技术出版社2021年11月