什么东西都不能从黑洞里逃脱。可是斯蒂芬 • 霍金出色地证明：黑洞并非真正是黑的，相反，它们因热而发光。那么这种热能怎么可能从那条单向通道里往外流涌呢？答案全然同它所解释的现象一样奇特：黑洞辐射的热量不是用从黑洞流出来的通常能量来偿付，而是由流入黑洞的负能量来补偿。

这难道是个数学花招？不对。负能量是确实存在的。问题在于：相当大的负能量的生成和利用会损害—些最神圣的自然法则，比如说热力学第二定律。梦想制造永动机或作逆时间旅行这些反常的非自然情景是容易的。对于物理学家来说，这些都是吓人的观念。但是大自然似乎潜藏着锦囊妙计，如果你仔细观察这些情景，好像有某种效应硬挤进时间裂痕之中，防止它成为犯法者。大自然好像还有更深层的原理在工作，这种原理允许负能量存在，但排除其最坏效应。

所有工程师和科学家都熟悉能量概念。但是当你追踪能量的去向时，正常考虑的是能量差。例如你可以计算从A举起一重物至B所消耗的能量，不必自找麻烦去考虑A处的总能量是多少。

这个规则有一个众所周知的例外，它与引力有关。爱因斯坦的著名公式E=mc²说明能量具有质量。

因为质量是引力源，你就可以设想一种“绝对零”的能量状态，像温度为绝对零度一样。你的全部需要是一种无引力场状态，理想的空空间即是一例。简单的说，负能量状态就是能量比零引力场空间还小。

但是质量或能量怎么可能比空空间还小呢？秘密在于量子理论。按照量子论，空空间事实上呈现出充满各种疾飞而过的“虚”粒子。所谓量子真空状态并不能剥落这些无以计数的幽灵般的实体，它们只是在由某种原因使真空状态受到扰动时才现身。

正是这些幽灵般的粒子掌握着产生负能量流的钥匙。负能量流事实上是一冷和暗（而不是热和亮）的波束，描绘负能量波束的最好方法是利用干涉现象。在标准的干涉实验中，当光波通过不透明屏板的两相邻缝隙时，在远处的壁上产生出一系列明暗条纹。来自两缝的波同步到达壁上时，它们相互加强，就发生明区域，叫相长干涉；两波不同步而互相抵消，发生暗区域，叫相消干涉。现在考虑量子真空里的虚粒子，用完全相同的方法，你可以产生一种状态，在这里激光束发出的“真”光子与虚真空光子相干涉。既然如此，相消干涉会形成能量比正常量子真空小的区域；换句话说，就是负能量区域。要是没有壁把光挡住，这时就出现了负能量波束。

这些在70年代就知道了。那时我和S • 富林（S. Fulling，现在得克萨斯大学）认识到负能量流可以产生霍金黑洞辐射的动力源。在一定距离处，热辐射代表着从黑洞流出来的正能量。但是我们知道，这种能量是无法在黑洞内部进行全程追踪的，因为那会违反“什么都不能逃出黑洞”的法则。我们发现负能量从周围区域不断流人黑洞。因为由黑洞的强引力场扰动量子真空里的虚粒子而造成时空弯曲，黑洞就在它的周围产生负能量。

遗憾的是，负能量波束不能解决问题，倒产生问题。假定你把这样的波对准一个热物体，比如一只用风门挡住口子的炉子，炉子内部会失去能量而冷却下来。但这分明是对著名的热力学第二定律的破坏，而热力学第二定律则关系到一种叫熵的性质。粗略地说，熵是给定系统的无序性大小的度量；而第二定律是：作为整体的总熵永不下降。如果炉子冷却下来，熵就下降了。这个过程通常与别的地方的熵增升相伴发生，可是负能量波束没有什么相关的熵，炉子的外部世界也没有什么改变。这就是说，宇宙的总熵降落了，这就违反了第二定律。因为这个定律是热力学的“车辖”，对它的任何违反会导致严重问题：如制造永动机的技能，就是向无损耗系统祈求有用功。

负能量也在十分不同的情况下有产生困难的危险。如果物体落入黑洞，一般就失去了有关它的物理性质的所有视域。电荷是一种例外，“献身”物体的电荷保留在黑洞里，并在它周围建立起电场。这个电场有能量，它修改了黑洞的引力场。如果黑洞的电场大得使电力可与它的引力抗衡，那问题就来了D按照广义相对论，如果荷质比超过临界值，黑洞就会突然消失。

这敲起了警钟。在黑洞中心潜藏着所谓奇点，它是一个密度为无穷大的点，那里的时-空无限弯曲。奇点实际上是时-空的边缘。要是这个边缘被暴露了，成了“裸”奇点，就可能出现未知的和不可预测的物理影响，而且侵入宇宙。幸好，当奇点被封闭在黑洞内部时，广阔的宇宙太平无事；但如果黑洞被分解，奇点松解，那么一切都完了。负能量波束就做出上面提到的事，因为它降低了黑洞的质量而不影响电荷，直至达到临界限度。

宇宙闪光

马萨诸塞州塔夫兹大学的L • 福特（L. Ford）研究了这些扰动情景，发现了某种古怪的东西。尽管你可以想象把负能量送人炉子或黑洞的方式，实际上你无法把它保持很长时间来造成真正的麻烦。福特运用负能量流的一个简单例子是由真空里的K实光子和虚光子之间相干涉形成的。正如传统干涉实验的暗条纹有一条相邻的亮条纹一样，紧挨相消干涉产生的负能簠区域也有一个相长干涉产生的正能沿区域。所以在这样的波束中，每个负能量脉冲紧接着有一个正能量脉冲。

负能量脉冲暂时降低一个炉子的熵，但接着的正脉冲会增升回去，这是真实的。尽管波束要产生熵的涨落，然而热力学第二定律是一个统计定律，它允许有小小的涨落。福特设法证明：在他所研究的状态中，涨落的强度和持续时间在允许的统计界限内保持稳定。在黑洞情景中，情况很少有清晰的轮廓。时-空奇点可以在刹那间暴露，根据福特描述，情况像“宇宙闪光”。这样的闪光是不是危及宇宙的合理性，现在还不能确定。

也许你想知道是否可以改进一下福特情景，比如只有在一负能量趋近时打开炉子的风门而把正能量脉冲关在炉子外面。这样，炉子内部积累起负能量，正能量则被拒之门外。然而仍然潜伏着另外的困难：操作风门本身要在量子真空中产生扰动。简单的计算说明，这一扰动足以使真空产生出一串光子。求出它的总和，显示新生光子的熵减少超过负能量引起的熵的减少。实验者试着应用负能量来获得比标志性熵减少更多的熵，而大自然似乎再一次想办法来扰乱实验者的努力。

然而还有别的办法可以产生持续不断的负能流。其中有一种办法是我和富林发现的，用的是单独的移动镜子。它的效应还是依赖于量子真空中不可见的虚光子，它完全归因于多普勒效应。这个效应也被警察用来拦阻超速行驶的摩托车手；他们用激光或雷达反射趋近了的摩托车。当光波从移动的镜子反射时，波长改变了：趋近的镜子，波长向波谱的蓝色端移动，离去的镜子，波长向着红色端移动。因而超速移动的镜子打乱了所有虚光子的波长和（随之）能量。依照镜子移动的详细情况，总效应可以加到真空的总能量上去，或者从总能量中减掉。在一个一维的理想化模型中，我们的计算表明：如果镜子以越来越大的加速度向右移动，负能量就以光速向同一方面流动，而正能量则向左流动。

这样的波束是连续的而不是脉动的，这是不是意味着你可以用它去冷却炉子因而违反第二定律？说来也怪，你仍然碰到了因支持负能流而出现的难题。设想一下这个实验：加速移动的镜子，在它向着炉子运动时产生一负能量波束，但最后和炉子相撞，实验停止。加速度越大，能流就越强，但碰撞前的持续时间则越短。还有，总和表，明，炉子积累的总能量不足以超过允许的熵涨落。

还有一种不同的研究是，在靠近黑洞表面处放一只炉子，盼望在它被吸进黑洞之前汲取一些负能量，这时有另外一种效应使它从违反第二定律中获救。黑洞的引力极大，要使炉子不陷入黑洞，必须提供一个很大的向外加速度。英国哥伦比亚大学的W • 昂鲁（W. Unruh）和我已经证明，如果你正在加速，量子真空中的虚光子使你感觉到你是浸泡在热辐射中进行热浴。加速度越大，就感觉越热。在黑洞表面外悬浮着的热物体，会经历巨大的加速度和实在的热浴。结果是炉子会让热浴中进来的热比进来负能量更多，这样熵就不会下降，反而增升。

不只是负能量流预示着佯谬的凶兆，就是静负能量也会来制造麻烦。一种情景是太空的蛀洞。蛀洞是一种假设的太空管子，它在相距遥远的各点之间提供捷径，如果蛀洞存在，它们就可以用来作时间机器——通过蛀洞而经过通常的太空回家的天文学家，可以在他离开之前就回来了。

开 通

加州理工学院的K • 索恩（K. Thome）和他的同事们已经证明，蛀洞在理论上是可能的，但是需要有某种东西让它的人道口保持开通。蛀洞基本上是黑洞的改制物，它的引力场很强。宇宙在通常情况下，只带有通常的正能量，这时所形成的蛀洞，在任何东西能够通过它以前，就在引力作用下坍缩了。但是由于负能量具有负质量，有一个负引力在起作用，就可以抗拒正能量的收缩效应使入道口保持开通。如果无限制的负能量状态是可能的，那就可以用它们来做成时间机器，我们能够拿它来改变过去。在众多人们的眼里，过去是一种荒谬的景观。

现在的问题是，如何造成静负能量。一种办法是利用卡西米尔效应（荷兰物理学家H.卡西米尔于1948年发现的）。两面镜子而对而放置，以拦隔中间的量子真空。当镜子反射光的真实光子的同时，也反射幽灵般的虚光子。按照量子理论，每一光子联系着一束电磁波，其波长与光子能量相当。夹在卡西米尔镜子之问的电磁波形成驻波的型式，它被限定在某个特定值——这和弹拨吉他的琴弦只奏出特定的音调相同。因此许多虚光子（存在于自由空空间里）不能被拦隔在两镜之间，因为它们的波长不合适。与这些“遗漏”光子相联系的能量不在两镜之间的区域里。

所以那里的量子真空总能量比自由空空间里的低。换句话说，静负能量状态存在于两镜之间。

但是也许还是不能使蛀洞很好开启。你大概以为要是镜子有足够大的而积和足够小的间隔，卡西米尔效应就会提供无限制的负能量。然而镜子是用通常的、正能道的物质制成的。再说，完全平滑的镜子是没有的。整个卡西米尔系统的总能量始终不会是负的。是不是有什么物质构形能够形成巨大的、稳定的负能量区域，这是个悬而未决的问题，致力于时间旅行的理论物理学家还在研究。我总感到，保护热力学第二定律免受滥用负能量之害的同样深层的原理将在这里介入。

那么这种深层原理是什么，它又从何而来？我认为，一切来源于信息的概念。我们已经探索过的迹近荒谬的情景都与信息的起因有关、减少熵与产生秩序是同一回事，而产生秩序等于产生信息。裸露奇点是无缘无故的信息，由于蛀洞不能使信息无中生有，所以蛀洞的时间旅行是反常的。

假设有这样的教授领先到2000年旅行，他从一本杂志中草草记下一个新的定理，然后返回到1998年，他迅速在他的论文中写出这个定理。论文出版后，他在2000年的考察成果就完成了。这里的问题是，新定理内的信息是从哪里来的？不是从教授那见来的，教授是在杂志上读到这个定理的；可也不是从别的什么人那里来的。它的出现是自发的、反常的：因此，如果有禁止宇宙中有附加负能量在工作的隐藏定律，那么看来它应该禁止从“无”中出现信息，因为信息的自发出现等于出现奇迹、出现深刻的不合理性。所以这样的原理定然属于大自然科学描述的核心问题。

如果这样的原理存在，它将继续保护我们免遭负能记奇想的伤害，但是至今没有谁真正证明，产生你利用起来有可能造成伤害的持续不断的负能量流是不可能的。在“无可作为”那样的定理被证明之前，这个主题将继续成为富于想象力的创造者开垦的富饶土地。

 [New Scientist，1998年3月21日]