史瓦西的經典黑洞的結構其實十分簡單。它有一個邊界(事件視界),包括光在內的任何東西一旦越過了事件視界就有去無回,從那一瞬間起,它們與外界就斷絕了所有的聯係,當然也無法與外界交換信息。事件視界的大小(也就是我們通常說的黑洞的大小)由黑洞的質量決定。事件視界並不是實體,在那兒其實什麼都沒有,它隻是代表有去無回的分界線。黑洞的中心是一個密度無限大的“奇點”,任何掉進黑洞的物體最後都會消失於這個“奇點”。在“奇點”與事件視界之間也是什麼都沒有。事件視界具有很奇特的性質:對於一個被吸入黑洞的物體,當它穿過事件視界時,不同的觀測者會看到完全不同的現象。在一艘飛船被吸入黑洞的過程中,如果讓它每秒鍾都發出一次無線電信號,在外界的觀測者看來,飛船越靠近事件視界,信號到達的間隔會變得越長,當它穿過事件視界時,信號就再也收不到了——飛船徹底消失了。但是對飛船裏的觀測者,飛船穿過事件視界時,任何特殊的事情都不會發生,真正的毀滅隻發生於飛船到達“奇點”的那一瞬間。
在我們的宇宙裏,天文學家已經觀測到了很多各式各樣的黑洞。銀河係的中心就是一個非常巨大的黑洞。通常當一顆質量很大的恒星將它可以用來進行核聚變的物質消耗殆盡時,就會發生由引力引起的“坍塌”,恒星的密度會變得極大而形成黑洞。
黑洞在物理學中從來就是一個“麻煩製造者”。讓我們來做一個想象中的實驗:劃定一個半徑為一米的球型區域,然後不斷往裏麵扔書、手機、電腦等等,這些東西都帶有一定數量的信息(當然也都有一定數量的熵)。假設我們有辦法控製這個區域使其不能增大,隨著越來越多的東西被扔進去,該區域中物質的密度就會越來越大。當密度最終達到了一個臨界值,這個區域就將成為一個黑洞。此後再往裏麵扔東西,就無論如何也沒辦法保持區域不增大了,因為黑洞的半徑與它的質量成正比。由於任何東西都不可能從黑洞裏逃出來,所以這部分信息也就再也不能為外界所知了。更糟糕的是,經典黑洞是沒有溫度的,沒有溫度的物體的熵是零,而熵是零意味著信息不存在。也就是說,經典黑洞會讓宇宙的熵減少(這與熱力學第二定律相悖)並使信息消失。這就在理論上產生了極大的危機。我們都知道能量守恒是物理世界的根本定律之一,能量可以傳輸、轉換,但不能消失。信息也一樣,可以傳輸、轉換,甚至被掩蓋、隱藏,但不能徹底消失。也許有人會想,如果把一本書燒了,書裏記載的信息難道不是消失了嗎?表麵看來似乎是這樣,但深一層想,所謂書和書裏的字說到底其實就是許多原子按特定順序排列組合而成。燒書的過程不外乎就是將這些原子的順序打亂的過程。如果有極為精準的儀器能夠追蹤、捕捉所有這些四散而去的原子,原則上就可以再把它們都“放”回原處,從而將書複原。這意味著書雖然燒了,但書裏的信息並未毀滅,隻是被那些四散而去的原子攜帶走了。
第一個在黑洞熵的研究上獲得實質性突破的,是柏肯斯坦(bekenstein)。他那時還在普林斯頓大學讀研究生(1973年),師從大名鼎鼎的惠勒(john wheeler,1911—2008,黑洞這個名詞就是他創造的)。柏肯斯坦基本上憑的是物理直覺和唯象的分析,他雖然得到了一個重要結論——黑洞的熵與黑洞的表麵積成正比,卻沒能計算出正確的比例常數。由於柏肯斯坦的結論缺少堅實的理論基礎,當時沒有引起太多人的重視。直到霍金(stephen hawking)於1974年非常巧妙地將量子效應應用於黑洞的研究,得出了黑洞具有溫度的重要結論,才徹底解決了物理學上的這一“危機”。