《黑洞不是黑的（出版书）》
作者：[英]史蒂芬·霍金
译者：吴忠超
内容简介：
副标题：霍金BBC里斯讲演
《黑洞不是黑的-霍金BBC里斯讲演》是当代被誉为继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家史蒂芬·霍金的最新力作，霍金用极简的文字生动有趣地讲述了黑洞的秘密。这本书，虽然只有2万字，不到100页，但却浓缩了霍金关于黑洞的最新研究成果。
只能用机器人与我们交流的霍金现在仍保持着异常的活力，他懂得宇宙学中很罕见的数学语言，而且他力求赢得更多大众的理解。《黑洞不是黑的》是霍金2016年在英国BBC广播公司里斯讲演中向大众传递的对黑洞的洞见，其中谈及的“黑洞无毛定理”使得黑洞研究变得极度纯粹，并直击自然的核心奥妙。他以游刃有余的通俗讲解，将我们带向宇宙最奇异的角落。这位传奇物理学家断言，只要能理解黑洞以及它们如何挑战时空的本性，我们就会更接近揭开宇宙的奥秘。黑洞里真的什么都没有吗，这个问题也许不是作为大众的我们所要关心的问题，却是我们偶尔想起会好奇的一个话题，这本书则以极简的讲述，告诉我们一个不同以往的黑洞。在经典引力物理中，霍金除了贡献了奇性定理，还发现了黑洞视界面积不减定理。霍金这次要告诉我们，黑洞并不像想象的那么黑，事物可以从黑洞逃逸，信息可以某种方式保存。本书由大卫·舒可曼撰写导言，并特别收录吴忠超《黑洞极简史》。
目录
导言|大卫·舒克曼
黑洞没有毛吗？
黑洞并不像想象的那么黑
黑洞上的软毛
附录 黑洞极简史
史蒂芬·霍金年表
史蒂芬·霍金睿语
智慧是随机应变的能力。
——
Stephen Hawking
我相信上帝不存在是最简单的解释。
没有东西创生了宇宙，
也没有任何东西掌握我们的命运。
这导致我深切地意识到，
也许不存在天堂，也没有来世。
我们拥有此生以鉴赏宇宙的大设计，
对此我极度感恩。
——
Stephen Hawking
首先，要志向远大，而非目光短浅。
第二，永不言弃。
工作赋予你意义和目标。
没有它生命变成空虚。
第三，如果你非常幸运地找到爱，
守住它，千万不要将它抛弃。
——
导言|大卫·舒克曼
有关史蒂芬·霍金的一切都是迷人的：他在绝境中的病体下深藏的
天才；他那只有一块肌肉活动的脸上露出的意味深长的微笑；还有他那
机器人的声音，这种特别的声音邀请大家分享他的发现的快乐，与他的
思想一同去漫游宇宙最奇异的角落。
这位非凡的人物克服千难万险，超越了寻常的科学边界。他的著作
《时间简史》影响惊人，售出了超过1000万册。从他本人出演流行喜剧
中的角色，到白宫对他的邀请以及广受欢迎的霍金传记片，都肯定了他
的名望。霍金已经名副其实地成为了世界上最著名的科学家。
20世纪60年代，当他被诊断患了运动神经元病时，医生断言他只有
两年的寿命了。但半个多世纪后，他仍然在研究、写作、旅行，并且还
经常在新闻媒体上露面。他的女儿露西用“极度倔强”来解释他这种异常
的活力。
不管是由于个人遭受的痛苦，还是由于他的热情，霍金都令人浮想
联翩。他最近告诫人们，人类正面临着一系列自己制造的灾难——从全
球温化到人工改造的病毒——一篇报道他的这些观点的文章获得了那天
BBC网站上最多的点击量。
极其讽刺的是，如此杰出的一位交流者却不能正常地与人对话。进
行采访前，人们必须预先提供访谈问题。若干年前，为霍金工作的职员
提醒我在采访过程中不要与他闲谈，因为他即便是回答最简短的问题，
都要花很长时间去遣词造句。然而，当终于和他会面时，我激动得忍不
住脱口而出：“你好吗？”——于是只能内疚地等待他回答。他很好。
在他位于剑桥的办公室里，有一块写满了方程的黑板。宇宙学当中
需要使用很多非常罕见的数学语言。不过，霍金对科学研究的特殊贡献
恰恰就是驾驭一些显然是属于不同专业领域的方法：其中最为人所知的
是，他是最早将原本设计用来探索原子内微小粒子的科学手段应用于研
究广袤太空的人。
在这个极端复杂的研究领域，霍金的同事们也许会担心，大众永远
无法理解他们的研究。不过，霍金的一个明显特征恰是力争赢得更广泛
的受众。在2016年的BBC里斯讲座中，他游刃有余地将毕生对黑洞的洞
见凝缩在两次15分钟的讲演中。对于那些好奇却同时感到困惑，或者着
迷于这思想却害怕科学的读者，我在关键点上都附加了注解，希望能有
助于理解。
黑洞没有毛吗？
有人说，事实有时比小说更不可思议，没有什么比黑洞的情形更体
现这点了。黑洞比科幻作家的任何异想天开都更怪异，但它们却是已经
被科学证明了的存在。科学界不仅较晚才意识到大质量恒星可在自己的
引力作用下往恒星中心坍缩，而且在对坍塌后留下的天体和物质的行为
的相关思考也很迟缓。1939年阿尔伯特·爱因斯坦甚至写了一篇论文断
言，因为物质只能有限度地被压缩，所以恒星不能在自身引力作用下坍
缩。许多科学家都赞同爱因斯坦的这个直觉判断。而在反对者当中，最
主要的大概要数美国科学家约翰·惠勒了。他在诸多方面都是历史上推
动黑洞理论的英雄。他在20世纪50年代和60年代的研究中强调，许多恒
星最终会坍缩，并指出了这种可能性给理论物理学带来的问题。他还预
见到坍缩的恒星转变成的天体，也就是黑洞的许多性质。
DS：“黑洞”这个词字面意思很简单，但是要想象在太空中某处一个
真实存在的黑洞则比较困难。试着想象有一个巨大的下水口，水盘旋着
流入其中。任何东西一旦滑过这个下水口开始下倾的边缘——对应黑洞
当中所谓的“事件视界”——就无法返回。因为黑洞是如此强有力，甚至
连光都会被它们吞没，所以我们实际上看不到它们。不过科学家知道它
们的确存在，因为黑洞会将靠其太近的恒星撕裂开来，与此同时向太空
中发出振荡波。最近一项有重大意义的科学成果就是探测到了正是超过
十亿年前两个黑洞碰撞产生的所谓的“引力波”。
在一颗正常恒星的几十亿年寿命的大部分时间里，支持恒星对抗自
身引力的力量来自于恒星内部的热压力，而热压力产生于将氢转变成氦
的核反应过程中。
DS：美国航空航天局用高压锅来比喻恒星。恒星内部的核聚变的
爆炸力产生了向外的压力，将一切都往内拉的恒星自身引力把这压力约
束在恒星内部。
然而，恒星最终必将耗尽它的核燃料，失去与自身引力对抗的热压
力。这时候恒星就会收缩。在某些情形下，它可能变成一颗“白矮星”而
支持自身。然而，1930年萨拉玛尼安·钱德拉塞卡证明，白矮星的质量
大小是有上限的，其最大质量是太阳质量的1.4倍。苏联物理学家列夫·
朗道对全部由中子构成的恒星计算出类似的最大质量。
DS：白矮星和中子星都曾是像太阳那样的恒星，而其内部的核燃
料已经燃烧殆尽。由于失去了使之胀大的力量，无法阻止自身引力拉力
将其缩小，于是它们就变成了宇宙中的某些最致密的天体。不过在恒星
的大小排名表上，这些恒星却是相对较小的，这意味着它们的自身引力
大小不足以使恒星完全坍缩。因此，史蒂芬·霍金和其他人最感兴趣的
问题是，最大的恒星在到达其生命终点时会发生什么？
那么，当那无数拥有比白矮星或中子星更大质量的恒星耗尽它们的
核燃料时，它们的命运又如何呢？罗伯特·奥本海默，后来的原子弹之
父，研究了这个问题。1939年，在和乔治·沃尔科夫、哈特朗德·斯奈德
合作的两篇论文中，他证明了，这样大质量的恒星，其内部向外的压力
不足以支持自己；而且如果你在计算中忽略压力，那么一颗均匀的球面
对称的恒星就会收缩到具有无限密度的单独的一点。这样的一点被称为
奇点。
DS：一个奇点是由一颗大质量的恒星被压缩到难以想象的小的点
时的结局。这个概念一直是史蒂芬·霍金研究生涯的典型主题。它不仅
有关恒星的终结，还有关形成整个宇宙的起点的更远为基本的观念。正
是霍金关于这些的数学研究为他获得了世界性的声誉。
我们有关空间的所有理论都是在假定时空是光滑和几乎平坦的基础
上表述的。所以这些理论在奇点处都崩溃了，因为在那里的时空曲率为
无限大。事实上，奇点标志着时间本身的终结，这也正是爱因斯坦对之
持有异议的原因。
DS：爱因斯坦的广义相对论认为，物体使围绕它们的时空变形。
想象放在一张蹦床上的一个保龄球，它会改变蹦床布料的形状，使得其
他较小的物体朝它滑去。人们通常用这种办法来比喻和理解引力效应。
倘若时空的弯曲程度越来越厉害，最终变成无限大，在此处我们日常所
熟知的时空规则就不再适用。
接着第二次世界大战来临。大多数科学家，包括罗伯特·奥本海
默，都将注意力转向核物理，引力坍缩问题被大多数人遗忘了。而被称
为“类星体”的遥远天体的发现重新激起了科学家们对这个研究课题的兴
趣。
DS：类星体（quasar）是宇宙中最明亮的一类天体，也可能是迄今
为止能够被检测到的最遥远的天体。这名字是“类恒星射电源天
体”（quasi-stellar radio sources）的缩写，而且它们被认为是围绕黑洞涡
旋的物质盘。
第一颗类星体3C273发现于1963年。此后，更多类星体很快相继被
发现。尽管它们距离地球非常非常遥远，在地球上看来却异常明亮。这
意味着它们释放出了远大于一般天体的能量，单纯的核反应产生的能量
无法和如此大的能量输出匹配，因为核反应仅仅使用了天体静质量的一
小部分，也仅仅将这一小部分质量作为纯粹能量释放出来。而其他可能
提供这么大能量的源头，只有因引力坍缩释放的引力能。恒星的引力坍
缩就这样被重新发现。
我们已经清楚地了解到，一颗均匀的球状的恒星有可能收缩成具有
无限大密度的一点，即奇点。爱因斯坦方程在奇点处失效。这表明，在
拥有无限密度的此点，人们不能预言未来。这接着意味，每当一颗恒星
坍缩时，就会发生某种奇怪的事情。如果奇点是裸的，也就是说，如果
它们没被事件视界遮蔽，那我们就要受到可预见性崩溃的影响。
DS：一个“裸”奇点是一个理论场景，此处恒星虽然坍缩，却没有形
成围绕它的一个事件视界，也因此该奇点就能被看到。
当约翰·惠勒在1967年引进“黑洞”这个术语时，它取代了早先的“冻
星”的名字。惠勒新造的词强调，坍缩恒星残余本身是有趣的，而与它
们如何形成无关。新名字很快就流行起来。这个词让人联想到某种黑暗
而神秘的东西。但是，法国人，模式化的法国人，却察觉到了这个词更
下流的一层意思。他们排斥trou noir这个名字好多年（trou noir：法语中
的黑洞，在某些俚语当中也会被用作骂人的话），断定这是个淫秽的词
语。不过，这就像要抵制le weekend（法语中的周末，源自英语）和其
他法式英语一样。最终他们只好屈服。何人能够抵制一个如此大获全胜
的名字呢？
在黑洞外部，你不可能知道它里面是什么。你能把电视机、钻戒甚
至你最恨的敌人扔进一个黑洞，可黑洞所能记忆的一切只不过是总质
量、旋转的状态和电荷。约翰·惠勒把这一原理形象地称为“黑洞无
毛”而闻名。而对法国人来说，这正坐实了他们的猜疑。
黑洞是有边界的，我们称之为事件视界。在视界上，引力的大小恰
好足以把光拉曳到视界内并防止它逃逸。因为没有任何东西的速度比光
还快，因此经过视界的所有其他东西也必然会被引力拉曳回去。穿过事
件视界跌落到黑洞内部有点像乘独木舟顺尼亚加拉瀑布而下。在瀑布上
游，如果你桨划得足够快，就能够逃脱掉下瀑布的命运，然而一旦到达
了瀑布边缘，再怎么划桨都无济于事了，无法返回。你越靠近瀑布，水
流就越急。这意味着，水流拉独木舟前部的力量比拉后部的力量更强
大。当前后的拉力相差太多时，独木舟就将面临被拉断的危险。黑洞的
情形也是类似的。如果你脚在前而头在后向一个黑洞落去，因为脚更接
近黑洞，脚所在处的引力比头所在处的引力更大。这个力差将导致你的
身体沿着纵向被拉长，而横向被挤瘦。如果这个黑洞拥有几倍我们太阳
的质量，那么在你抵达视界之前就已被撕开并变成像意大利面条那么
细。然而，倘若你向质量大得多的黑洞落去，比如质量是太阳质量的
100万倍的黑洞，你就将轻而易举地到达视界。因此，如果你要探索黑
洞的内部，确保选取一个大的。在我们银河系中心就存在一个质量约为
400万个太阳质量的黑洞。
DS：科学家们相信，在几乎所有星系的中心都有一个巨大的黑洞
——鉴于这个观念的有关特征首次被确认也才是不久以前的事，更让人
感到了这个观念多么令人惊奇。
尽管在你落入黑洞时，自己不会注意到任何特异之事，但是在远处
观察你掉入黑洞过程的人永远看不到你越过事件视界的瞬间。在这个观
察者的眼里，越接近视界，你运动的速度就显得越缓慢，而且就在外头
徘徊。观测者眼里的你也会随着接近视界的过程变得越来越红，越来越
暗淡，直到你实际上从他的视野里消失。就外部世界而言，你已经永远
消失了。
DS：由于光不能从黑洞逃逸出来，从远处观察你的任何人都无法
真正地目击你越过视界的过程。在太空中没人能听见你的尖叫；而在黑
洞里，没人能看到你失踪。
1970年的一个数学发现，极大地推动了我们对这些神秘现象的理
解。这就是事件视界——即围绕黑洞的边界区域——的表面积具有如下
性质，当额外的物质或辐射落入黑洞时，事件视界的面积总会增加。这
个性质暗示，黑洞的事件视界面积和传统牛顿物理之间，特别是和热力
学中的熵的概念之间存在相似之处。你可以将熵理解为对于一个系统的
混乱程度的测度，或者等效地，是对其精确的态的知识的缺失。著名的
热力学第二定律断言，熵总是随时间增加。1970年的发现首次暗示了视
界面积和熵之间的关键联系。
DS：熵增意味着任何有序的事物随时间流逝而变得较混乱无序的
倾向——打个比方，就像整齐垒着的砖头形成一堵墙（低熵），随着时
间流逝，这堵墙最终将变成一堆杂乱的尘埃（高熵）。而这个从有序到
混乱的过程可由热力学第二定律来描述。
虽然熵和事件视界面积之间存在明显的联系，但面积怎么会和黑洞
本身的熵等同，对我们来说却一点都不清楚。黑洞的熵指的是什么呢？
1972年，雅各布·柏肯斯坦提出了一个关键的设想，那时他是普林斯顿
大学的一名研究生，后来在耶路撒冷的希伯来大学任教。其来龙去脉如
下。当引力坍缩产生一个黑洞，它就快速地在一个静态安顿下来，这个
态只用三个参数就能表征：质量、角动量（旋转的状态）和电荷。除了
这三个性质，黑洞不保留已坍缩的天体的任何其他细节。
在宇宙学家的信息的意义上，这一定理对于信息论隐含了如下思
想：在宇宙中的每个粒子和每个力对“是与否”问题都有隐含的答案。
DS：在这个语境里，信息是指与一个天体相关的每个粒子和每个
力的所有细节。某物越是混乱无序，它的熵越高，就需要越多的信息去
描述它。正如物理学家兼广播员吉姆·阿尔-卡里里说的那样，一副彻底
洗过的纸牌比没洗过的拥有更高的熵，因此要描述它就需要更多得多的
解释，或者信息。
柏肯斯坦定理意味着，在引力坍缩中，大量信息被丢失了。例如，
黑洞最后的态与坍缩物体是由正物质还是反物质构成无关，与坍缩物体
是球状的还是高度无规的形状无关。换言之，一个给定质量、角动量和
电荷的黑洞可由大量不同的物质位形中的任一种——包括大量不同种类
的恒星当中的任意一种坍缩形成。的确，如果不考虑量子效应，那么物
质可能位形的数目会是无限多的，因为黑洞可能由巨大不确定数目、具
有不确定低的质量的粒子的云团坍缩而形成。不过，位形的数量真能无
限多吗？这就是量子效应参与进来之处。
量子力学的不确定性原理表明，只有其波长比该黑洞本身尺度还要
小的粒子才能形成黑洞。这表明组成黑洞的粒子的可能波长范围是有限
的：它不能是无限的。
DS：由著名的德国物理学家沃纳·海森伯在20世纪20年代构思出的
不确定性原理陈述道：我们永远不能确定或预言最小的那些粒子的精确
位置。因此，在所谓的量子尺度之下，自然中存在一个模糊性，和艾萨
克·牛顿描述的精确有序的宇宙截然不同。
因此，能够形成一个具有给定质量、角动量和电荷的黑洞的位形的
数目尽管非常巨大，却也是有限的。雅各布·柏肯斯坦提出，人们可以
由这一有限数目推出黑洞的熵。这将是对黑洞创生时在坍缩过程中丢失
且无法挽回的信息量的测度。
柏肯斯坦的设想有一个显然致命的瑕疵，如果黑洞拥有与它事件视
界面积成比例的有限的熵，那么它还应该拥有一个有限的温度，该温度
要与其表面引力成比例。这就意味着，黑洞可以在某一非零的温度下，
和热辐射处于平衡中。然而，根据经典概念，这类平衡是不可能的。因
为黑洞会吸收所有落到它上面的热辐射，但根据定义却不能反过来发射
任何东西。它不能发射任何东西，也不能发射热辐射。
如果信息被丢失，这显然是在黑洞中发生的DS：
事，那就应该释放一些能量——这就和任何东西都不能从黑洞出来
的理论相悖。
这是一个矛盾的情形。而这正是我在下一次讲演中将要继续探讨的
内容之一。届时我将探索黑洞如何挑战宇宙的可预见性，以及历史的确
定性的最基础原理；并且谈谈如果你被吸进了一个黑洞，将会发生什
么。
DS：史蒂芬·霍金就这样带领我们进行了一次科学旅行：从爱因斯
坦的恒星不能坍缩的断言，到人们接受黑洞的确存在的这个事实，直至
关于黑洞的这些怪异特征如何存在和作用的各种理论之间的冲撞。
黑洞并不像想象的那么黑
我在前面的讲演中留下了一个悬念：关于由恒星坍缩产生的不可思
议的致密的天体——黑洞性质的佯谬。有理论提出，具有完全相同性质
的黑洞可由无限种不同类型的恒星形成。但是也有理论认为，可能形成
具有相同性质的黑洞的恒星类型的数目是有限的。这是一个信息论问
题，那就是说，宇宙中的每个粒子和每个力对“是与否”问题都拥有隐含
的答案。
就像科学家约翰·惠勒说的那样，“黑洞无毛”，因此人们从外部无
法得知黑洞内部是怎样的，除了它的质量、旋转状态和电荷这三样信
息。这表明，黑洞内部隐藏着大量外部世界无法得知的信息。如果隐藏
在黑洞内部的信息量取决于黑洞的尺度，人们从一般的原理就能预料
到，黑洞将会拥有一个非零的温度，而这意味着黑洞将会发出热辐射，
就会像一块炽热的金属一样发光。但那是不可能的，众所周知，没有任
何东西可以从黑洞中逃逸出来。或者说，那时人们就是这么认为的。
这个佯谬直到1974年初，我利用量子力学研究黑洞邻近的粒子行为
时才被打破。
DS：量子力学是极小空间尺度下的科学，它探索解释最小尺度的
粒子行为。这些粒子不遵循制约像行星那样巨大得多的物体的运动定
律，也就是说，它们不遵循艾萨克·牛顿创立的定律。利用这种极小空
间尺度下的科学去研究大尺度时空是史蒂芬·霍金的开创性成就之一。
使我大吃一惊的是，根据我的研究和计算，黑洞似乎是在以稳定的
速率发射粒子。和当时所有人一样，我坚信黑洞不能发射任何东西。因
此，我相当努力地试图摆脱这一令人难堪的效应。但是，我越苦思冥
想，就越难以拒绝承认其正确性，所以最后我只好无奈地接受了这个发
现。最终使我确信它是一个真实存在的物理过程的理由是，飞离的粒子
的谱是精确地热性的。我的计算预言，黑洞会产生并发射粒子和辐射，
恰如其他普通的热体一样，其拥有的温度与其表面引力大小成正比，即
和它的质量大小成反比。
DS：这些计算首次证明，黑洞不一定是只进不出的通往死地的单
行道。自然而然地，该理论所提出的辐射被称为“霍金辐射”而闻名。
自此，黑洞发射热辐射的数学证据也逐渐被其他科学家用各种不同
的手段所确认。下面让我试着解释这些发射是如何产生的，但这并不是
理解该理论的唯一方法。量子力学表明，整个空间充满了虚粒子和虚反
粒子组成的虚粒子对，它们不断在空间中成对地成为实体，分离，然后
再次碰撞并相互湮灭。
DS：这个概念取决于真空从来就不是空无一物的这个思想。根据
量子力学的不确定性原理，总存在粒子出现的机会，不管它们存在的时
间多么短暂。而这个过程总是牵涉到拥有相反特征的粒子对，它们出现
并消失。
这些粒子之所以称作“虚的”，那是因为不像实粒子那样，我们不能
用检测器直接观察到它们。尽管如此，可以测量到它们的间接效应，而
且所谓的兰姆移动的一种小移动证实了它们的存在。兰姆移动指的是它
们在受激的氢原子发射的光谱能级上产生的分裂。现在，在黑洞的场
合，虚粒子对中的一个成员可能落进黑洞，留下了失去伴侣的另一成
员，因而这个成员无法湮灭。被遗弃的粒子或反粒子有可能随它的伴侣
落入黑洞，但是它也有可能向无限逃逸，这样的粒子就作为从黑洞发射
出的辐射而出现了。
DS：这一部分理解的关键点在于，通常无人注意到虚粒子对的形
成和消失。不过，如果这个过程恰巧正发生在黑洞的边缘，虚粒子对中
的一个粒子可能被拖曳进去，而另一个却没有。那么，逃逸的粒子就会
显得似乎正被黑洞“吐出来”。
一个太阳质量的黑洞泄出粒子的速度非常非常慢，以至于我们不可
能检测到该过程。然而，如果有质量小得多的“微”黑洞，比如说一座山
那么重的黑洞。像山那么重的黑洞会以大约10万亿瓦的速率辐射出X射
线和伽玛射线，足以给整个地球提供电能。然而，要控制并利用这样一
个微黑洞绝非易事。你不能直接把它放在发电厂，因为它会穿过地板不
断往地心落去，并在地心处停下来。如果我们拥有这样的一个黑洞，那
保管它的唯一方法就是把它放到环绕地球的轨道上。
人们曾经试图寻找过这样的微型黑洞，但迄今还未找到。真是太可
惜了，如果他们找到了微黑洞，那我就能获得诺贝尔奖了！不过要证明
我的理论还有其他方法，那就是我们也许能够在时空的额外维度当中制
造微黑洞。
DS：这些“额外维度”是指，超越我们所有人在日常生活中都熟悉的
三维，也超越时间的第四维的某种东西。在试图解释引力为何比诸如磁
力等其他自然力都弱得多的过程中，人们引出了这个思想——也许引力
在平行的其他维度里也必须起作用。
根据某些理论的理解，我们体验的宇宙只是在十维或十一维空间中
的一个四维面。影片《星际穿越》当中也体现了这个理解。因为光无法
通过这些额外维度，而只能通过我们所处宇宙的四个维度传播，所以我
们看不见额外维度。然而，引力却会影响额外维度，并且引力在那里的
作用比在我们的宇宙中强大得多。因此，在额外维度中形成小黑洞要容
易得多。在瑞士的欧洲粒子物理研究所的LHC，即大型强子对撞机的实
验中，我们也许有机会能观察到这样的现象。在LHC当中有一条周长达
到27千米的圆形隧道，两束粒子沿着相反方向围绕这个隧道飞行，并且
最终被强迫碰撞。有些碰撞也许会产生微黑洞。这些黑洞会以一种容易
被辨认的模式发射出粒子，我们可以通过这个方式来验证我的理论。所
以我终究有可能得个诺贝尔奖的！
只有当一个理论经受了时间的检验，即实际DS：
上已有确凿的证据证明其正确性后，诺贝尔物理学奖才会颁发给它
的发现人。例如，彼得·希格斯是早在20世纪60年代就提出存在某种粒
子的科学家之一，这种粒子能赋予其他粒子以质量。将近50年以后，人
们才在大型强子对撞机的两个不同的检测器上找到了后来被确认为希格
斯玻色子真实存在的证据。这是理论科学和工程学、睿智的理论和扎实
的工作共同的胜利；最终彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒，一位比利时
科学家，共同获得了这项诺贝尔奖。霍金辐射还未获得物理证明，而一
些物理学家甚至暗示，要检验这个理论过于困难，几乎是不可能的。不
过，随着对黑洞越发深入的研究，霍金辐射被证实存在的时刻终究会到
来的吧。
随着粒子从黑洞逃逸，黑洞将损失质量，并且收缩。而这个行为将
使粒子发射率增大，也就是说黑洞损失质量的速率将越来越大。最后，
黑洞将会失去它的全部质量并且消失。那么已落进黑洞的所有粒子和倒
霉的航天员的命运将会如何呢？当黑洞消失时，他们当然不可能就这么
重新出现了。在我们看来，除了总质量、旋转的量和电荷，之前落入黑
洞的物体的信息全部丢失了。但是，如果这些信息真的全部丢失了，就
会造成一个直击我们现有的科学理解核心的严重问题。
在此前两百多年的岁月里，我们都坚信科学的决定论性，也就是
说，宇宙的演化遵循科学定律。皮埃尔——西蒙·拉普拉斯构思并表述
了这一原理，他说，如果我们知道某一时刻宇宙的状态，就能够利用科
学定律确定它在未来和过去所有时刻的状态。据说，拿破仑曾经问过拉
普拉斯，在他的理论当中，上帝起了什么作用，而拉普拉斯回答
道：“阁下，我不需要假设上帝在我的理论当中起了任何作用。”我认为
拉普拉斯的这句话并不是在断言上帝不存在——只是说上帝不干预世界
使之违背科学定律。这点必然是每位科学家都确信的。科学定律如果只
在某位超自然的存在决定让事物运行而不加干涉时才成立，那科学定律
就不成其为科学定律了。
在拉普拉斯的决定论性中，人们为了预言未来，必须知道所有粒子
在某时刻的位置和速度。然而，要预言宇宙的未来远没有这么简单，我
们还需要考虑沃纳·海森伯在1923年提出的不确定性原理，这个原理是
量子力学的核心。
该原理表明，你对粒子的位置测量得越精确，对它们的速度就只能
测得越不准确，反之亦然。也就是说，你不能同时既准确地知道位置，
又准确地知道速度。在这个情况下，要怎样才能精确地预言未来呢？答
案是，虽然我们不能准确地分别预言粒子未来的位置和速度，却仍能预
言粒子未来拥有的所谓的“量子态”。通过所谓的量子态，就能够在一定
精确程度上计算出粒子的位置和速度。我们仍然期望宇宙决定论性可以
成立，只不过需要稍微改变一下说法，如果我们知道在某一时刻宇宙的
量子态，科学定律应使我们能预言它在其他任何时刻的量子态。
DS：从解释发生在事件视界的事情开始，我们已经不断深入探索
了科学中某些最重要的具有哲学意味的主题——从牛顿机械世界到拉普
拉斯定律到海森伯不确定性，还探索了这些原理或者定律是在哪些地方
遭遇了黑洞奥妙的挑战。最重要的是，根据爱因斯坦的广义相对论，进
入黑洞的信息消失了，而量子理论说明它不能被销毁。
如果信息在黑洞中丢失，我们就不能预言未来，因为黑洞可能发射
出任何一堆粒子。它甚至能发射出一台好使的电视机，甚至是一套真皮
精装的莎士比亚全集，尽管这种奇异的发射概率极其微小。你可能会觉
得，就算我们不能预言从黑洞里会跑出什么东西来，也没啥大不了的，
反正在我们周围没有任何黑洞。不过，这是个原则问题。如果决定论
性，也就是宇宙的可预见性在牵涉到黑洞时失效，那它在其他情形下也
会失效。更糟的是，如果决定论性失效，那么我们也就无法确定我们过
去历史的真实性。我们的史书和记忆可能仅仅是幻觉。正是我们的过去
决定了我们的现在存在；没有了历史的真实性，我们就失去了自己的本
体。
因此，信息在黑洞中是否真的丢失了，或者在原则上它是否能被恢
复，是一个非常重要的研究课题。许多科学家觉得信息是不应该丢失
的，但没人能提出一个能保存信息的机制。关于这个课题的争论持续了
多年。最后，我找到了自以为是正确的答案，它依赖于理查德·费恩曼
的下面这个思想，存在许多不同的可能的历史，每种历史都有其发生的
概率，而非一个单独的历史。在这个情形下，存在着两大类历史。其中
一类，空间中存在一个黑洞，粒子可以落入这个黑洞；在另一类历史
中，空间中不存在黑洞。
关键在于，我们无法从外部断定，是否存在一个黑洞。因此，总有
不存在黑洞的概率。这个可能性就足以保存信息，不过这信息不以非常
有用的方式返回。这有点像把一部百科全书烧毁。如果你保留所有的烟
和灰，这部百科全书的信息并没有丢失，只是变得非常难以阅读。科学
家基普·索恩和我同另一位物理学家约翰·普列斯基尔曾经打赌，我和基
普认为信息会在黑洞中丢失。当我发现这种保存信息的方式时，我承认
赌输。我输给了约翰·普列斯基尔一部百科全书。也许我应该就给他书
的灰烬。
DS：在持宇宙的完全决定论观点的理论中，你能烧毁一部百科全
书，而且接着重新构建出它——前提条件是，你知道组成这部百科全书
的墨水和纸的每个分子的每颗原子的特征和位置，并且一直跟踪着它们
的一切的话。
目前，我正和剑桥的同事马尔科姆·佩里以及哈佛的安德鲁·斯特罗
明格研究基于所谓超平移的数学思想的新理论，以期解释使信息从黑洞
返回外部的机制。根据我们的理论，信息被编码到了黑洞的视界上。敬
请期待我们在未来发表进一步的消息！
DS：在录制了里斯讲演后，霍金教授和他的同事发表了一篇论
文，该论文从数学上论证了信息能被储存在事件视界里。该理论依赖于
信息在一个称为超平移的过程中，被转变成两维的全息图。正如在这个
讲演之末复制的摘要所展现的，这篇题为“黑洞上的软毛”的论文为我们
提供了这个领域的深奥语言的清晰一瞥，并为我们展现了科学家们试图
解释它所面临的挑战。
对于落入我们所在的宇宙的一个黑洞当中的物体有没有可能从另一
宇宙出来的问题，前面讨论对我们有什么提示？存在具有和不具有黑洞
的两大类可选择性历史暗示，物体有可能落入某个黑洞，从另一个宇宙
出来。但是这个黑洞必须很大，并且如果它在旋转的话，那么它也许具
有一个通往另一宇宙的通道。但是你一旦进去了，就再也不能回到现在
所处的宇宙当中了。因此，尽管我很热爱太空飞行，但并不准备去尝试
穿越一个黑洞。
如果一个黑洞在旋转，那么它的核心有可DS：
能不是由一个无限密度的奇点构成，而是可能存在一个环形的奇
性。而正是这导致了不仅落入黑洞而且穿越它的可能性的猜想，尽管这
意味着离开我们已知的这一宇宙。史蒂芬·霍金用这一撩人的想法结束
了演讲：在黑洞另一边也许存在一些东西。
那么，我想要在此给你们的留言是，黑洞并不像想象的那么黑。和
我们曾经想象的不同，它们不是一度想象的永久的囹圄。落入其中的物
体可以从黑洞逃逸，既可逃回到这个宇宙来，还可逃到另一个宇宙去。
因此，如果你觉得自己掉进一个黑洞里，永远不要放弃，总有方法能逃
出来！
黑洞上的软毛
史蒂芬·霍金+，马尔科姆·佩里+和安德鲁·斯特罗明格*
应用数学和理论物理系，数学科学中心，
剑桥大学，剑桥，CB3 0WA，英国
*自然基本定律中心，
哈佛大学，剑桥，MA 02138，美国
摘要
最近已被证明，在所有渐近闵可夫斯基时空的引力论中，BMS超平
移对称意味着无数个守恒律。这些定律要求黑洞携带大量软（即零能
量）的超平移的毛。类似地，麦克斯韦场的存在隐含着软的电磁的毛。
本文按照软引力子或软光子来详尽描述黑洞视界上的软毛，而且证明有
关它们量子态的完整信息被储存在视界未来边界的全息版上。荷守恒给
出拥有不同软毛而其余都相同的黑洞的蒸发结果之间的无数个精确关
系。我们还进一步论证，物理上可实现的过程无法激起在空间上定域至
比普朗克长度更小得多的软毛，由此推出软的自由度的有效数目和以普
朗克单位度量的视界面积成正比。
注：此文已发表于：Phys.Rev.Lett.116，231301（2016）.
附录 黑洞极简史
吴忠超
在牛顿力学中，每个天体都有一个逃逸速度，从天体表面飞离的投
掷体的初始速度只有超过它，投掷体的动能才能转换成足够的势能，使
自己永远摆脱该天体的引力场。显然，如果世间万物有一最大的速度，
