諾獎以上，真相未滿：追捕黑洞二百年

原標(biāo)題：諾獎以上，真相未滿：追捕黑洞二百年

如果做一個“天體人氣榜”，那黑洞應(yīng)該是當(dāng)之無愧的冠軍。

剛剛，黑洞又一次躍入了大眾的視線。北京時間 10 月 6 日，諾貝爾委員會宣布2020年諾貝爾物理學(xué)獎被分成兩部分，一部分授予羅杰·彭羅斯，以表彰其在證實廣義相對論與發(fā)現(xiàn)黑洞領(lǐng)域的成就；另一部分授予萊因哈特·根澤爾和安德里亞·格茲，以表彰他們分別帶領(lǐng)團隊發(fā)現(xiàn)了銀河系中心的超大質(zhì)量天體。

這是近年諾貝爾物理學(xué)獎繼2017年、2019年之后，又一次授予天體物理學(xué)方向；并且2017年雷納·韋斯、巴里·巴瑞斯、吉普·索恩因引力波探測研究獲獎，也與黑洞研究密不可分。加上此前著名的“黑洞照片”公布，黑洞在這幾年可以說是反復(fù)躍入公共視野。

但圍繞今年諾獎首次頒給黑洞研究這個話題，還是產(chǎn)生了不少疑問。比如說很多媒體和評論人都認(rèn)為，屬于黑洞研究的諾獎“姍姍來遲”，并且頒給霍金好友羅杰·彭羅斯，是對2018年霍金辭世的某種惋惜和追悔。

那么問題來了，霍金沒有因為黑洞研究而獲得諾貝爾物理獎?wù)娴牟⒉还絾?？羅杰·彭羅斯僅僅是以霍金朋友的身份代他領(lǐng)獎嗎？

另一方面，為什么婦孺皆知的黑洞，要等到如今才摘得諾貝爾獎，甚至還有些勉強？黑洞的偉大發(fā)現(xiàn)難道不早就該彪炳史冊嗎？

這些問題的答案，可能都埋藏在人類追捕黑洞真相的漫長歷史里。借著諾獎帶來的話題余溫，讓我們一起回溯一下這場人類智慧的跨宇宙遠征。

派出最聰明的“偵探”努力二百余年，我們才剛剛解開黑洞謎局的一角。

警覺：沉默的暗星

發(fā)現(xiàn)黑洞，是一場跨越時間、空間，以及學(xué)科體系的持久戰(zhàn)。作為一項組合工程，它需要物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家的高效協(xié)作。有時候它也需要在一方人馬工作不下去的時候，換另一隊來攻克難關(guān)。所以說，跨學(xué)科背景和學(xué)科交叉人才在發(fā)現(xiàn)黑洞的路上特別重要，比如今年的諾獎得主很多都具備跨學(xué)科背景，或者轉(zhuǎn)換過研究領(lǐng)域。

而對黑洞這種天體現(xiàn)象最早的模糊認(rèn)知，也來自學(xué)科視角轉(zhuǎn)換帶來的“驚喜”。雖然我們一般意義上認(rèn)為黑洞的發(fā)現(xiàn)在愛因斯坦提出廣義相對論之后。但其實早在18世紀(jì)，科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)生了對黑洞存在的“警覺”。

在發(fā)現(xiàn)開普勒定律和萬有引力之后，宇宙速度的概念逐漸清晰?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)天體的密度與引力成正比。那么是不是有一種可能，某種天體的密度特別大，引力特別強，導(dǎo)致連光的速度都無法完成宇宙速度的逃逸？

密度大到能吞噬光的天體，自然也就無法被人類觀測到。1783年，英國自然哲學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家約翰·邁克爾在給英國皇家學(xué)會的亨瑞·卡文迪許的信中，提出了這樣一種不可見天體的可能性。他將之稱為“暗星（Dark Stars）”——約翰·邁克爾還根據(jù)宇宙速度來推測，如果一個與太陽質(zhì)量相同的天體，其半徑只有三公里，那么這個天體的引力就將達到光無法逃逸的程度，也就形成了對地球的不可見。兩百年后的事實證明，這個猜測已經(jīng)十分接近人類所知的黑洞。

隨后，相關(guān)內(nèi)容在英國皇家學(xué)會會報上發(fā)表，引發(fā)了科學(xué)界的熱烈討論。關(guān)于“不可見星”的討論有了種種測算和猜想。而在當(dāng)時條件下，吞噬光的星體還僅僅是個邏輯推演，科學(xué)界還沒有理論路徑來認(rèn)識真實存在的黑洞。

到20世紀(jì)初年，電磁學(xué)興起之后，人們開始從另一個角度來理解黑洞。德國物理學(xué)家，量子力學(xué)的開創(chuàng)者馬克斯·普朗克在1900年提出了關(guān)于“黑體輻射”的假說。他認(rèn)為既然物體在釋放輻射的同時也吸收輻射，那么應(yīng)該有一種物體，既所謂“黑體”，能夠吸收所有的光，但是既無法反射光也不形成光透射。黑體是電磁學(xué)領(lǐng)域的一個理想概念，并不是真正的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。但普朗克提出的“黑體輻射”已經(jīng)描述了黑洞的量子特征，打開了另一條發(fā)現(xiàn)黑洞的秘徑。

根據(jù)引力推論，以及密度越大輻射越大的角度來看，暗星或者黑體，應(yīng)該是一定空間內(nèi)壓縮了巨大密度的存在。按照這個理論，濃縮版的太陽或者地球都會變成黑洞，漫威的超級英雄蟻人最終也會變成黑洞。

但真的有天體會經(jīng)歷濃縮嗎？來到20世紀(jì)，一位天才給出了答案。

瞄準(zhǔn)：黑洞命名與史瓦西半徑

1915年11月25日，愛因斯坦發(fā)表了“廣義相對論”。這一天應(yīng)該被銘刻在人類共同的紀(jì)念碑上，不僅是因為愛因斯坦本人的偉大，還由于“廣義相對論”可以解釋太多事情，將然問世就給各領(lǐng)域的科學(xué)家以醍醐灌頂?shù)母杏X。其中就包括，黑洞。

如上所述，在愛因斯坦之前，科學(xué)界已經(jīng)有了對黑洞的猜想。實質(zhì)缺少的是對黑洞如何產(chǎn)生、自然界是否真能存在黑洞的認(rèn)知基礎(chǔ)。

根據(jù)“廣義相對論”對引力場公式，宇宙中可以存在密度無限大的奇點。在特定區(qū)域內(nèi)一切物質(zhì)都向奇點坍塌，形成對包括光在內(nèi)所有物質(zhì)的吞噬效應(yīng)。雖然愛因斯坦本人并沒有提出過黑洞假說，也不見得相信宇宙中存在黑洞，但他提出的理論確實給全面認(rèn)知黑洞打開了大門，讓人類可以在數(shù)學(xué)和理論物理的層面完整描述黑洞。

于是乎，就在“廣義相對論”提出兩個月后，德國天文學(xué)家、物理學(xué)家卡爾·史瓦西就通過計算愛因斯坦的引力方程得到了一個真空解。這就是“史瓦西半徑”，自此人類完整預(yù)言了黑洞的存在。

所謂“史瓦西半徑”，是指一個天體向奇點坍塌到一定程度時，其質(zhì)點的周圍會出現(xiàn)一個界面──“視界”。在視界中會光無法逃逸的現(xiàn)象，自此黑洞就將誕生。根據(jù)史瓦西的計算，太陽如果坍塌到半徑三公里以下就會變成黑洞，而地球坍塌到半徑9毫米以下也會變成黑洞。

而為什么天體會出現(xiàn)向奇點坍塌的現(xiàn)象呢？現(xiàn)代天文學(xué)認(rèn)為，恒星演化的終局，也就是恒星熄滅之時，就是黑洞誕生之日。而還有一種宇宙黑洞的可能性來源，是根據(jù)“廣義相對論”推算，宇宙可能是大爆炸的產(chǎn)物。而大爆炸初期，在宇宙早期膨脹之前，會出現(xiàn)某些區(qū)域的密度異常大，這些留存下來的區(qū)域就是宇宙中的原初黑洞。

1969年，美國物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒率先提出了“黑洞”一詞，來制定面目愈發(fā)清晰，但還沒有被人類觀測到的最神秘天體。而人類關(guān)于黑洞的揭秘游戲，也進入了新的章節(jié)。

推理：“黑洞無毛”

物理學(xué)家惠勒，并不僅僅是擅于起名字。在對黑洞的深化討論里，惠勒率先提出了人類在“廣義相對論”基礎(chǔ)上認(rèn)識黑洞后的第一個大問題：在熱力學(xué)理論中如何解釋黑洞的存在？

惠勒提出了這樣一個問題，既然黑洞只吸收，不放出，那么一個帶熵的物體被黑洞吸收之后，整個系統(tǒng)的熵就消失了。而這明顯違反了熱力學(xué)的第二定律。

那么問題來了，黑洞內(nèi)的特殊條件中，熱力學(xué)第二定律還成立嗎？面對這個問題，物理學(xué)界給出了一個猜想，就是黑洞吞噬效應(yīng)發(fā)生后，被吞噬物體的一切物質(zhì)記憶與復(fù)雜性都將消失。而進入黑洞視界的物體只能留下三個參數(shù)：質(zhì)量、電荷量和角動量。

這個奇怪的特性引發(fā)了科學(xué)家們新的關(guān)注，成為70年代黑洞認(rèn)知又一輪大幅跨越的推理基礎(chǔ)。而這個現(xiàn)象也被確實很擅長發(fā)明術(shù)語的惠勒稱為“黑洞無毛”——黑洞吞噬的東西，所有“毛發(fā)”信息都將喪失，只留下三個最基本特征。

黑洞無毛的定理一度讓很多中國傳統(tǒng)文化愛好者非常興奮。比如我就曾聽某“國學(xué)大師”的講座里說，黑洞最終是印證了“一氣化三清”和“玄之又玄，眾妙之門”。至于到底是不是呢，咱也不知道，咱也不敢問。

反正，黑洞熱力學(xué)的假說確實激發(fā)了上世紀(jì)70年代關(guān)于黑洞的又一輪大討論。而那就是我們熟悉的霍金，以及剛剛獲得諾獎的彭羅斯，屬于他們的舞臺。

重審：霍金輻射，黑洞蒸發(fā)

與當(dāng)時黑洞研究界主要是物理學(xué)與天文學(xué)背景的科學(xué)家不同，彭羅斯的主要知識背景與研究視角都來自數(shù)學(xué)。

上世紀(jì)60年代，彭羅斯提出了關(guān)于時空立場的全新數(shù)學(xué)解法。在他的數(shù)學(xué)推演下，空間是可以扭曲的，這就是著名的扭量理論。從電荷、量子運動，到黑洞中的熱力轉(zhuǎn)換，都可以通過扭量理論來解釋。并且這一理論還認(rèn)為，任何條件下物質(zhì)最后都會經(jīng)歷一個不可避免的數(shù)學(xué)奇點，這個奇點就是黑洞的形成。這個觀點打破了黑洞形成的特殊性，指出黑洞可能是所有天體最終的命運。這項研究的過程中，霍金成為了彭羅斯的重要伙伴，這一發(fā)現(xiàn)也被稱為彭羅斯-霍金奇點理論。

某種程度上來說，霍金是站在彭羅斯提出的數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)上，通過更加激進的理論物理推想，得出了一系列關(guān)于黑洞更為具體的信息。1974年，牛津的盧瑟福實驗室召開了一場量子物理學(xué)研討會，霍金宣布了對于黑洞的全新發(fā)現(xiàn)：黑洞不僅能夠吸收視界外的物質(zhì)，同時還以熱輻射的形勢向外“吐出”物質(zhì)。

這種推論被稱為霍金輻射，也被稱為“黑洞蒸發(fā)”。霍金認(rèn)為，隨著黑洞蒸發(fā)的過程，黑洞溫度也隨之升高，最終將以大爆炸的形勢吐出所有物質(zhì)?；艚疠椛淅碚撝赋?，黑洞并不僅僅是吸收物質(zhì)的“宇宙窟窿”，其本身也構(gòu)成了宇宙循環(huán)的一部分。因此，黑洞也就并非恒星演化的最終形態(tài)，而是恒星演化的一個必然部分。在成為黑洞之后，天體還將向其他形態(tài)演進。而我們所處的宇宙，也就是大爆炸之后物質(zhì)高速擴張的一個階段。

從彭羅斯到霍金，科學(xué)家開始真正把黑洞建立在了熱力學(xué)的體系中，并以此為契機窺探宇宙的本源。但這里要指出的是，霍金之偉大與爭議是并存的。其重要原因在于霍金的推想太超前了，目前的天文能力無法驗證其真?zhèn)巍２⑶一艚鸬暮诙赐普搩?nèi)部有自相矛盾的地方，直到晚年霍金都在致力于達成其推論的自洽。

而諾貝爾獎的含義，是獎勵科學(xué)家“解決問題”，而非“發(fā)現(xiàn)問題”或者“找到了解決問題的可能”。從這個角度看，彭羅斯的獲獎建立在他的理論被近年連續(xù)出現(xiàn)的天文證據(jù)所證明。而霍金的眾多理論今天依舊是“懸案”，這就像愛因斯坦也沒有因為”廣義相對論”摘得諾貝爾。

諾貝爾不獎勵先行者，從這個角度看霍金是遺憾的；但先行者的足跡早早跨出了諾貝爾獎的范疇，這又是霍金的驕傲和幸運。

搜尋：宇宙證據(jù)鏈

其實不難看出，在漫長的時間里，天文學(xué)界在黑洞這個天文領(lǐng)域，都是基本缺失的。這當(dāng)然是黑洞的獨特性導(dǎo)致的，畢竟要怎么觀察一個以“不可見”為特征的天體呢？好在人類的天文學(xué)技術(shù)在不斷實現(xiàn)突破，計算機、光學(xué)、電磁學(xué)等等成果成為了天文觀測的助手。而基于一系列對黑洞的熱力學(xué)認(rèn)識，人類也開始獲得了觀測黑洞的路徑。

黑洞被準(zhǔn)確觀測，被天文學(xué)交叉證據(jù)給證明，其實在近幾年才有顯著突破。而這也形成了一個新的觀點：所謂基礎(chǔ)科學(xué)靠天文，當(dāng)物理、數(shù)學(xué)遇到瓶頸的時候，該輪到天文崛起了。

比如摘下2017年諾獎的LIGO引力波觀測系統(tǒng)、拍下黑洞照片的“事件視界望遠鏡”全球觀測網(wǎng)。這些抵達人類工程能力頂峰的天文設(shè)備，正在為進一步揭秘黑洞帶來希望。

目前來看，觀測黑洞主要有以下幾個辦法：

1、根據(jù)引力效應(yīng)觀察黑洞。

黑洞雖然不可見，但在黑洞周圍視界之外卻會形成可以被觀察到的引力旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。尤其對引力波的發(fā)現(xiàn)和捕捉，為觀測劇烈的黑洞運動提供了全新的可能。比如2017年8月14日劃過地球的引力波被LIGO所捕獲。這次引力波被精準(zhǔn)確定了所發(fā)生的宇宙方位，并且判斷出發(fā)出引力波的天文現(xiàn)象應(yīng)該是兩個黑洞發(fā)生合并。

2、根據(jù)輻射效應(yīng)觀察黑洞。

根據(jù)霍金輻射理論，黑洞本身雖然不能發(fā)出光線，但其具有極強的輻射釋放性。通常來說，黑洞內(nèi)部會向宇宙發(fā)出極強的X射線。而對宇宙中的X射線強度與射線源進行觀測，就有很大機率找到黑洞。

３、根據(jù)密度效應(yīng)觀察黑洞。

由于黑洞具有極強的引力場，所有黑洞周圍往往會出現(xiàn)大密度的恒星分布，這在天文觀察中會出現(xiàn)亮度集中的特征。這也就是所謂的黑洞密度效應(yīng)。據(jù)此，天文學(xué)家可以觀測出黑洞的確切位置。本次獲得諾獎的根策爾和蓋茲團隊，就是從90年代致力于尋找和觀測黑洞。他們發(fā)現(xiàn)，在銀河系的中央有些恒星的密度超大，達到了數(shù)百萬倍的太陽質(zhì)量。這證明了銀河系的中心應(yīng)該就是一個巨大的黑洞。而這也從另一方面證明了彭羅斯和霍金的“黑洞循環(huán)”說：黑洞并非宇宙中特立獨行的吞噬者，他就是宇宙運行機制的一部分。甚至很可能黑洞支撐了我們所在的銀河系。

疑點：黑洞當(dāng)然未明

時至如今，套用一個推理小說中的說法，我們已經(jīng)知道了誰是黑洞，但并不知道黑洞是誰。

經(jīng)歷了200多年，人類終于確定了黑洞真的存在，并且為之頒發(fā)了一次諾貝爾獎。但黑洞的運行機制到底是怎樣的？他的能量原理是什么？他與宇宙、時空、天體循環(huán)的關(guān)系是什么？種種謎團還停留在無數(shù)光年以外，黑洞依舊一片漆黑。

比如說，霍金留下的理論財富中就還有大量等待被驗證的東西?；艚鸬睦碚摼烤故亲詩首詷?，還是將如愛因斯坦一樣成為不斷被時代證實的先知，都還有待未來告訴我們？事實上，無論是“廣義相對論”給黑洞留下的存在前提，還是史瓦西半徑、霍金蒸發(fā)，這些科普讀物中赫赫有名的詞匯，都是在近幾年引力波與黑洞照片等天文證據(jù)支撐下才變成確證。

面向黑洞的征程才剛剛開始，彭羅斯等人的諾貝爾，更像是給那些孤獨挑釁宇宙的人，一些相對遲到，又相對早到的安慰。

圍繞黑洞，人類還有無比強勁的探索欲望。比如說現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，是廣義相對論和量子物理學(xué)。而好巧不巧的是，黑洞這種極端天體是研究兩大理論的共同支柱，好像有點殊途同歸，大道歸元的意味。

另外圍繞黑洞還有更多假說有待證實。比如與黑洞對立，負(fù)責(zé)向宇宙放出物質(zhì)的白洞是否真實存在？比如黑洞白洞之間，是否真的存在愛因斯坦-羅森橋，也就是能夠穿越時間的蟲洞？再比如被黑洞吸收的物質(zhì)，是不是吐向了其他宇宙？黑洞是不是多重宇宙的聯(lián)接點，是否是暗物質(zhì)的溫床？

無論你是科幻愛好者、民間科學(xué)家，或者真的有志于向黑洞發(fā)起探索，那個神秘的奇點視界都在科學(xué)的努力下，越來越多地影響人間。至少可以肯定地說，基礎(chǔ)科學(xué)的下一個，或者未來某個重大出路，就藏在黑洞里。

那些捕捉黑洞的偵探們，可能并不在意某枚勛章。他們更想要真相，時空與宇宙的真相。

參考文獻：

1、斯蒂芬·霍金《時間簡史》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2009年

2、基普.S.索恩《黑洞與時間彎曲》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1999年

3、羅杰·彭羅斯《宇宙的輪回》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2007年

4、徐仁新《天體物理導(dǎo)論》，北京大學(xué)出版社，2006年

（本文由腦極體和鳳凰科技聯(lián)合出品）

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