黑洞到底存在还是不存在

到此为止，我们已经对20世纪80年代之前的黑洞历史做了回顾，回顾黑洞研究的这段历史，不难发现，在黑洞问题上，存在两种不同的观点。

以爱因斯坦为代表的一派认为，黑洞如果存在，将与已有的物理规律相矛盾，而且，物理世界中不允许出现无穷大的奇点，因此，在真实的物理时空中没有黑洞。

以霍金等人为代表的另一派则认为，即只要广义相对论正确，奇点是不可避免，因此，物理学应该接纳奇点，接纳黑洞。彭罗斯还提出“宇宙监督假设”，这个假设的大意是：存在一个宇宙监督，它要求奇点只能呆在黑洞里，禁止裸奇点的出现。

回顾黑洞的历史，我们还发现，有关黑洞的研究工作大体上可分为两种类型。

其一，黑洞有哪些性质？

其二，黑洞是否存在？

黑洞的研究情况是，对第一类问题研究得比较多，以霍金的工作为例，黑洞的量子效应和霍金辐射、黑洞的面积定理、无毛定理、黑洞的熵和热力学性质等，均属于第一类工作，即假设黑洞如果存在，它有哪些物理性质。

而对第二个问题，即黑洞是否存在这一问题，研究得却很不充分。用霍金的话说：“黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学模型被发展到非常详尽的地步。”

这就是20世纪80年代，笔者刚接触黑洞时所看到的情景：一方面，大量的黑洞问题都已经被人研究过了，无论是施瓦西黑洞、克尔黑洞还是克尔－纽曼黑洞，人们做了大量的研究，奇点定理、无毛定理、面积定理等都已证明，黑洞的热力学性质、量子力学性质也已充分研究。另一方面，黑洞是否存在，这一问题却没有解决。

显而易见，黑洞是否存在这个问题是黑洞研究中最重要的一个问题，因为这个问题不解决，即使得出黑洞的许多性质，今后一旦得出黑洞并不存在，那么今天推导出的这些黑洞性质都将失去意义。因此，黑洞是否存在这一问题，应该是黑洞研究中首先解决的问题。换句话说，从米歇耳到霍金，黑洞研究已有200多年的历史了，黑洞到底存在还是不存在呢？这个问题已经到了必须解决的时候了。

不管是历史的巧合，还是命运的安排，20世纪80年代，笔者恰好在这一时期进入到黑洞研究领域。

1979年是爱因斯坦百年诞辰，这一年国内出版了一些关于爱因斯坦和相对论的书籍，笔者就是在这一年读了第一本有关相对论方面的书，由此对相对论产生了浓厚的兴趣。笔者最初是怀着一种好奇和崇拜的心情，研读爱因斯坦有关相对论的著作，然而，随着研究的深入，由崇拜转向独立思考，再由独立思考到探讨怀疑，笔者怀疑相对论和黑洞是由一些偶然事件引起的。

导致笔者走上相对论研究这条路的直接原因与下面这件事有关。

1982年大学毕业后笔者留校继续攻读硕士，硕士论文研究的问题是理想流体的数值计算。在理想流体的数值计算中，经常会遇到计算结果趋于无穷大的情况，也就是所谓的数值发散。导致数值发散的原因是理想流体的流场中存在奇点。真实的流体运动中是没有奇点的，理想流体之所以出现奇点是因为理想流体理论把黏性作用忽略了。因此，作者硕士论文的一项主要任务就是研究如何解决理想流场数值计算中出现的奇点问题。

硕士毕业后开始攻读博士学位，由于博士论文的一项内容是研究钱学森猜想，因此笔者开始研究钱学森的著作，并注意到当时钱学森与中国科技大学的那位教师正在进行一场争论。这场争论对笔者影响很大，它把笔者带进了相对论研究这个领域，特别是对广义相对论的奇点问题产生了浓厚的兴趣。

刚研究完理想流体的奇点，又遇到广义相对论的奇点，于是很自然地把理想流体理论和广义相对论做了对比，结果发现这两个理论之间有许多相似之处。

首先，这两个理论研究的都是场论问题，理想流体理论研究的是流场，广义相对论研究引力场。

其次，这两个理论都是用一套优美的数学理论模拟物理问题。理想流体理论是利用数学里的位势理论研究流动。爱因斯坦提出了引力几何化，用黎曼几何研究引力。

再次，这两个理论都存在奇点问题，在理想流体理论中会遇到奇点，彭罗斯和霍金的奇点定理表明在广义相对论中奇点是不可避免的。

最后，在这两个理论中都存在一些令人困惑的问题，例如，在理想流体理论中有一个达朗贝尔疑难，在广义相对论中存在着黑洞和时空隧道等让人困惑的问题。

通过以上对比，笔者产生了一个联想：理想流体理论的奇点在真实的物理流动中不会发生，那么，广义相对论的奇点在真实的物理时空中能够存在吗？

如果我们对霍金的工作进行分析，不难发现，奇点定理是霍金工作的基础，奇点定理为黑洞和大爆炸宇宙学提供了理论依据，因此要评价霍金的工作，主要取决于如何评价奇点定理。

在1965—1970年之间，彭罗斯和霍金证明了几个奇点定理，他们的研究表明，无须依赖对称性假设，广义相对论的奇性在一定条件下是不可避免的，即只要爱因斯坦的广义相对论正确，并且因果性成立，那么任何有足够物质的时空，都至少存在一个奇点。毫无疑问，霍金对奇点定理的数学推导是正确的，但问题的关键是如何在物理上解释这个定理。

奇点定理实际上提出了一个问题，物理上究竟允许不允许出现无穷大，要回答这个问题，历史上的经验值得借鉴，在物理学的历史上，只要物理理论中出现无穷大，这个理论多半就是错误的。既然奇点定理得出在广义相对论中奇点是不可避免的，那么对奇点定理，笔者认为，还存在另一种解释，即在爱因斯坦的广义相对论中一定存在问题。

霍金等人认为，既然爱因斯坦广义相对论是正确的，根据奇点定理，奇点将不可避免，因此，研究奇点的物理意义是物理学的一个重要课题。基于这种观点，在过去的40多年里，与奇点相关的一些领域，例如黑洞、白洞、虫洞、时空隧道和大爆炸宇宙理论等成为广义相对论研究的主要问题。

而作者则认为，物理学的理论不应该出现无穷大，奇点定理实际上预示了广义相对论有问题，因此，找出广义相对论存在的问题，找到奇点产生的原因，对黑洞理论提出质疑，这才是广义相对论需要研究的问题。

总之，作者怀疑广义相对论和黑洞的一个主要原因是物理学的理论不应该出现无穷大。为什么物理理论中不允许出现无穷大呢？

下面我们用热力学定律来分析这一问题。