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(yuǎn)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。科學(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)”?;艚鹫J(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)。霍金輻射理論指出,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)?。并且霍金的黑洞推論?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(yuǎn)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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2020-10-10
諾獎以上,真相未滿:追捕黑洞二百年
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。

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