诺奖以上,真相未满:追捕黑洞二百年

摘要:那些捕捉黑洞的侦探们,可能并不在意某枚勋章。他们更想要真相,时空与宇宙的真相。

如果做一个“天体人气榜”,那黑洞应该是当之无愧的冠军。

刚刚,黑洞又一次跃入了大众的视线。北京时间 10 月 6 日,诺贝尔委员会宣布2020年诺贝尔物理学奖被分成两部分,一部分授予罗杰·彭罗斯,以表彰其在证实广义相对论与发现黑洞领域的成就;另一部分授予莱因哈特·根泽尔和安德里亚·格兹,以表彰他们分别带领团队发现了银河系中心的超大质量天体。

这是近年诺贝尔物理学奖继2017年、2019年之后,又一次授予天体物理学方向;并且2017年雷纳·韦斯、巴里·巴瑞斯、吉普·索恩因引力波探测研究获奖,也与黑洞研究密不可分。加上此前著名的“黑洞照片”公布,黑洞在这几年可以说是反复跃入公共视野。

但围绕今年诺奖首次颁给黑洞研究这个话题,还是产生了不少疑问。比如说很多媒体和评论人都认为,属于黑洞研究的诺奖“姗姗来迟”,并且颁给霍金好友罗杰·彭罗斯,是对2018年霍金辞世的某种惋惜和追悔。

那么问题来了,霍金没有因为黑洞研究而获得诺贝尔物理奖真的并不公平吗?罗杰·彭罗斯仅仅是以霍金朋友的身份代他领奖吗?

另一方面,为什么妇孺皆知的黑洞,要等到如今才摘得诺贝尔奖,甚至还有些勉强?黑洞的伟大发现难道不早就该彪炳史册吗?

这些问题的答案,可能都埋藏在人类追捕黑洞真相的漫长历史里。借着诺奖带来的话题余温,让我们一起回溯一下这场人类智慧的跨宇宙远征。

派出最聪明的“侦探”努力二百余年,我们才刚刚解开黑洞谜局的一角。

警觉:沉默的暗星

发现黑洞,是一场跨越时间、空间,以及学科体系的持久战。作为一项组合工程,它需要物理学家、数学家、天文学家的高效协作。有时候它也需要在一方人马工作不下去的时候,换另一队来攻克难关。所以说,跨学科背景和学科交叉人才在发现黑洞的路上特别重要,比如今年的诺奖得主很多都具备跨学科背景,或者转换过研究领域。

而对黑洞这种天体现象最早的模糊认知,也来自学科视角转换带来的“惊喜”。虽然我们一般意义上认为黑洞的发现在爱因斯坦提出广义相对论之后。但其实早在18世纪,科学家就已经发生了对黑洞存在的“警觉”。

在发现开普勒定律和万有引力之后,宇宙速度的概念逐渐清晰。科学家发现天体的密度与引力成正比。那么是不是有一种可能,某种天体的密度特别大,引力特别强,导致连光的速度都无法完成宇宙速度的逃逸?

密度大到能吞噬光的天体,自然也就无法被人类观测到。1783年,英国自然哲学家、地质学家约翰·迈克尔在给英国皇家学会的亨瑞·卡文迪许的信中,提出了这样一种不可见天体的可能性。他将之称为“暗星(Dark Stars)”——约翰·迈克尔还根据宇宙速度来推测,如果一个与太阳质量相同的天体,其半径只有三公里,那么这个天体的引力就将达到光无法逃逸的程度,也就形成了对地球的不可见。两百年后的事实证明,这个猜测已经十分接近人类所知的黑洞。

随后,相关内容在英国皇家学会会报上发表,引发了科学界的热烈讨论。关于“不可见星”的讨论有了种种测算和猜想。而在当时条件下,吞噬光的星体还仅仅是个逻辑推演,科学界还没有理论路径来认识真实存在的黑洞。

到20世纪初年,电磁学兴起之后,人们开始从另一个角度来理解黑洞。德国物理学家,量子力学的开创者马克斯·普朗克在1900年提出了关于“黑体辐射”的假说。他认为既然物体在释放辐射的同时也吸收辐射,那么应该有一种物体,既所谓“黑体”,能够吸收所有的光,但是既无法反射光也不形成光透射。黑体是电磁学领域的一个理想概念,并不是真正的科学发现。但普朗克提出的“黑体辐射”已经描述了黑洞的量子特征,打开了另一条发现黑洞的秘径。

根据引力推论,以及密度越大辐射越大的角度来看,暗星或者黑体,应该是一定空间内压缩了巨大密度的存在。按照这个理论,浓缩版的太阳或者地球都会变成黑洞,漫威的超级英雄蚁人最终也会变成黑洞。

但真的有天体会经历浓缩吗?来到20世纪,一位天才给出了答案。

瞄准:黑洞命名与史瓦西半径

1915年11月25日,爱因斯坦发表了“广义相对论”。这一天应该被铭刻在人类共同的纪念碑上,不仅是因为爱因斯坦本人的伟大,还由于“广义相对论”可以解释太多事情,将然问世就给各领域的科学家以醍醐灌顶的感觉。其中就包括,黑洞。

如上所述,在爱因斯坦之前,科学界已经有了对黑洞的猜想。实质缺少的是对黑洞如何产生、自然界是否真能存在黑洞的认知基础。

根据“广义相对论”对引力场公式,宇宙中可以存在密度无限大的奇点。在特定区域内一切物质都向奇点坍塌,形成对包括光在内所有物质的吞噬效应。虽然爱因斯坦本人并没有提出过黑洞假说,也不见得相信宇宙中存在黑洞,但他提出的理论确实给全面认知黑洞打开了大门,让人类可以在数学和理论物理的层面完整描述黑洞。

于是乎,就在“广义相对论”提出两个月后,德国天文学家、物理学家卡尔·史瓦西就通过计算爱因斯坦的引力方程得到了一个真空解。这就是“史瓦西半径”,自此人类完整预言了黑洞的存在。

所谓“史瓦西半径”,是指一个天体向奇点坍塌到一定程度时,其质点的周围会出现一个界面──“视界”。在视界中会光无法逃逸的现象,自此黑洞就将诞生。根据史瓦西的计算,太阳如果坍塌到半径三公里以下就会变成黑洞,而地球坍塌到半径9毫米以下也会变成黑洞。

而为什么天体会出现向奇点坍塌的现象呢?现代天文学认为,恒星演化的终局,也就是恒星熄灭之时,就是黑洞诞生之日。而还有一种宇宙黑洞的可能性来源,是根据“广义相对论”推算,宇宙可能是大爆炸的产物。而大爆炸初期,在宇宙早期膨胀之前,会出现某些区域的密度异常大,这些留存下来的区域就是宇宙中的原初黑洞。

1969年,美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒率先提出了“黑洞”一词,来制定面目愈发清晰,但还没有被人类观测到的最神秘天体。而人类关于黑洞的揭秘游戏,也进入了新的章节。

推理:“黑洞无毛”

物理学家惠勒,并不仅仅是擅于起名字。在对黑洞的深化讨论里,惠勒率先提出了人类在“广义相对论”基础上认识黑洞后的第一个大问题:在热力学理论中如何解释黑洞的存在?

惠勒提出了这样一个问题,既然黑洞只吸收,不放出,那么一个带熵的物体被黑洞吸收之后,整个系统的熵就消失了。而这明显违反了热力学的第二定律。

那么问题来了,黑洞内的特殊条件中,热力学第二定律还成立吗?面对这个问题,物理学界给出了一个猜想,就是黑洞吞噬效应发生后,被吞噬物体的一切物质记忆与复杂性都将消失。而进入黑洞视界的物体只能留下三个参数:质量、电荷量和角动量。

这个奇怪的特性引发了科学家们新的关注,成为70年代黑洞认知又一轮大幅跨越的推理基础。而这个现象也被确实很擅长发明术语的惠勒称为“黑洞无毛”——黑洞吞噬的东西,所有“毛发”信息都将丧失,只留下三个最基本特征。

黑洞无毛的定理一度让很多中国传统文化爱好者非常兴奋。比如我就曾听某“国学大师”的讲座里说,黑洞最终是印证了“一气化三清”和“玄之又玄,众妙之门”。至于到底是不是呢,咱也不知道,咱也不敢问。

反正,黑洞热力学的假说确实激发了上世纪70年代关于黑洞的又一轮大讨论。而那就是我们熟悉的霍金,以及刚刚获得诺奖的彭罗斯,属于他们的舞台。

重审:霍金辐射,黑洞蒸发

与当时黑洞研究界主要是物理学与天文学背景的科学家不同,彭罗斯的主要知识背景与研究视角都来自数学。

上世纪60年代,彭罗斯提出了关于时空立场的全新数学解法。在他的数学推演下,空间是可以扭曲的,这就是著名的扭量理论。从电荷、量子运动,到黑洞中的热力转换,都可以通过扭量理论来解释。并且这一理论还认为,任何条件下物质最后都会经历一个不可避免的数学奇点,这个奇点就是黑洞的形成。这个观点打破了黑洞形成的特殊性,指出黑洞可能是所有天体最终的命运。这项研究的过程中,霍金成为了彭罗斯的重要伙伴,这一发现也被称为彭罗斯-霍金奇点理论。

某种程度上来说,霍金是站在彭罗斯提出的数学方法基础上,通过更加激进的理论物理推想,得出了一系列关于黑洞更为具体的信息。1974年,牛津的卢瑟福实验室召开了一场量子物理学研讨会,霍金宣布了对于黑洞的全新发现:黑洞不仅能够吸收视界外的物质,同时还以热辐射的形势向外“吐出”物质。

这种推论被称为霍金辐射,也被称为“黑洞蒸发”。霍金认为,随着黑洞蒸发的过程,黑洞温度也随之升高,最终将以大爆炸的形势吐出所有物质。霍金辐射理论指出,黑洞并不仅仅是吸收物质的“宇宙窟窿”,其本身也构成了宇宙循环的一部分。因此,黑洞也就并非恒星演化的最终形态,而是恒星演化的一个必然部分。在成为黑洞之后,天体还将向其他形态演进。而我们所处的宇宙,也就是大爆炸之后物质高速扩张的一个阶段。

从彭罗斯到霍金,科学家开始真正把黑洞建立在了热力学的体系中,并以此为契机窥探宇宙的本源。但这里要指出的是,霍金之伟大与争议是并存的。其重要原因在于霍金的推想太超前了,目前的天文能力无法验证其真伪。并且霍金的黑洞推论内部有自相矛盾的地方,直到晚年霍金都在致力于达成其推论的自洽。

而诺贝尔奖的含义,是奖励科学家“解决问题”,而非“发现问题”或者“找到了解决问题的可能”。从这个角度看,彭罗斯的获奖建立在他的理论被近年连续出现的天文证据所证明。而霍金的众多理论今天依旧是“悬案”,这就像爱因斯坦也没有因为”广义相对论”摘得诺贝尔。

诺贝尔不奖励先行者,从这个角度看霍金是遗憾的;但先行者的足迹早早跨出了诺贝尔奖的范畴,这又是霍金的骄傲和幸运。

搜寻:宇宙证据链

其实不难看出,在漫长的时间里,天文学界在黑洞这个天文领域,都是基本缺失的。这当然是黑洞的独特性导致的,毕竟要怎么观察一个以“不可见”为特征的天体呢?好在人类的天文学技术在不断实现突破,计算机、光学、电磁学等等成果成为了天文观测的助手。而基于一系列对黑洞的热力学认识,人类也开始获得了观测黑洞的路径。

黑洞被准确观测,被天文学交叉证据给证明,其实在近几年才有显著突破。而这也形成了一个新的观点:所谓基础科学靠天文,当物理、数学遇到瓶颈的时候,该轮到天文崛起了。

比如摘下2017年诺奖的LIGO引力波观测系统、拍下黑洞照片的“事件视界望远镜”全球观测网。这些抵达人类工程能力顶峰的天文设备,正在为进一步揭秘黑洞带来希望。

目前来看,观测黑洞主要有以下几个办法:

1、根据引力效应观察黑洞。

黑洞虽然不可见,但在黑洞周围视界之外却会形成可以被观察到的引力旋转效应。尤其对引力波的发现和捕捉,为观测剧烈的黑洞运动提供了全新的可能。比如2017年8月14日划过地球的引力波被LIGO所捕获。这次引力波被精准确定了所发生的宇宙方位,并且判断出发出引力波的天文现象应该是两个黑洞发生合并。

2、根据辐射效应观察黑洞。

根据霍金辐射理论,黑洞本身虽然不能发出光线,但其具有极强的辐射释放性。通常来说,黑洞内部会向宇宙发出极强的X射线。而对宇宙中的X射线强度与射线源进行观测,就有很大机率找到黑洞。

3、根据密度效应观察黑洞。

由于黑洞具有极强的引力场,所有黑洞周围往往会出现大密度的恒星分布,这在天文观察中会出现亮度集中的特征。这也就是所谓的黑洞密度效应。据此,天文学家可以观测出黑洞的确切位置。本次获得诺奖的根策尔和盖兹团队,就是从90年代致力于寻找和观测黑洞。他们发现,在银河系的中央有些恒星的密度超大,达到了数百万倍的太阳质量。这证明了银河系的中心应该就是一个巨大的黑洞。而这也从另一方面证明了彭罗斯和霍金的“黑洞循环”说:黑洞并非宇宙中特立独行的吞噬者,他就是宇宙运行机制的一部分。甚至很可能黑洞支撑了我们所在的银河系。

疑点:黑洞当然未明

时至如今,套用一个推理小说中的说法,我们已经知道了谁是黑洞,但并不知道黑洞是谁。

经历了200多年,人类终于确定了黑洞真的存在,并且为之颁发了一次诺贝尔奖。但黑洞的运行机制到底是怎样的?他的能量原理是什么?他与宇宙、时空、天体循环的关系是什么?种种谜团还停留在无数光年以外,黑洞依旧一片漆黑。

比如说,霍金留下的理论财富中就还有大量等待被验证的东西。霍金的理论究竟是自娱自乐,还是将如爱因斯坦一样成为不断被时代证实的先知,都还有待未来告诉我们?事实上,无论是“广义相对论”给黑洞留下的存在前提,还是史瓦西半径、霍金蒸发,这些科普读物中赫赫有名的词汇,都是在近几年引力波与黑洞照片等天文证据支撑下才变成确证。

面向黑洞的征程才刚刚开始,彭罗斯等人的诺贝尔,更像是给那些孤独挑衅宇宙的人,一些相对迟到,又相对早到的安慰。

围绕黑洞,人类还有无比强劲的探索欲望。比如说现代物理学的两大支柱,是广义相对论和量子物理学。而好巧不巧的是,黑洞这种极端天体是研究两大理论的共同支柱,好像有点殊途同归,大道归元的意味。

另外围绕黑洞还有更多假说有待证实。比如与黑洞对立,负责向宇宙放出物质的白洞是否真实存在?比如黑洞白洞之间,是否真的存在爱因斯坦-罗森桥,也就是能够穿越时间的虫洞?再比如被黑洞吸收的物质,是不是吐向了其他宇宙?黑洞是不是多重宇宙的联接点,是否是暗物质的温床?

无论你是科幻爱好者、民间科学家,或者真的有志于向黑洞发起探索,那个神秘的奇点视界都在科学的努力下,越来越多地影响人间。至少可以肯定地说,基础科学的下一个,或者未来某个重大出路,就藏在黑洞里。

那些捕捉黑洞的侦探们,可能并不在意某枚勋章。他们更想要真相,时空与宇宙的真相。

参考文献:

1、斯蒂芬·霍金《时间简史》,湖南科学技术出版社,2009年

2、基普.S.索恩《黑洞与时间弯曲》,湖南科学技术出版社,1999年

3、罗杰·彭罗斯《宇宙的轮回》,湖南科学技术出版社,2007年

4、徐仁新《天体物理导论》,北京大学出版社,2006年

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