傅婷婷

陳學(xué)雷，中國科學(xué)院國家天文臺宇宙暗物質(zhì)暗能量團(tuán)組首席研究員，星系宇宙學(xué)部副主任

三聯(lián)生活周刊：

你的研究領(lǐng)域和霍金的研究領(lǐng)域有什么交叉之處？

陳學(xué)雷：在霍金開始進(jìn)入研究領(lǐng)域的上世紀(jì)六七十年代，宇宙學(xué)或者黑洞方面觀測還是很少。研究者首先從理論上著手，霍金那時做了很多量子宇宙學(xué)和黑洞的研究理論方面的工作。后來有了很多觀測手段，做觀測人越來越多，這些年主要的研究也都在觀測上面。霍金的研究方向，現(xiàn)在有一些弦論研究者會研究，宇宙學(xué)目前的大部分研究都沒有那么抽象，而是去做如何用觀測去檢驗理論、推斷宇宙。這是一個研究方向的變化。

霍金一直到去世前這幾年都還發(fā)表論文，但是他自己真正的貢獻(xiàn)大部分集中在60年代到80年代?；艚鸬闹饕暙I(xiàn)還是在他更早期的時候，他實際上是做了一些概念性的突破。

聽起來好像說觀測就是觀測，其實在宇宙學(xué)里，“觀測”不是這么直接的。它也需要構(gòu)造很多復(fù)雜的理論去分析你看到的數(shù)據(jù)如何能夠跟宇宙模型聯(lián)系起來，90年代之后，大家主要做觀測的方向。

三聯(lián)生活周刊：

五六十年代偏重理論，現(xiàn)在卻偏重觀測。為什么會有這種研究方向的變化？

陳學(xué)雷：因為相對論建立以后，預(yù)言會發(fā)生什么現(xiàn)象，當(dāng)時并不完全清楚。所以那時首先要從理論上搞清楚。比如，“黑洞”一詞是在60年代末才作為一個固定的概念，之前有大概的想法，但好多沒定下來。所以那個時候主要是一些基本概念，想把理論推到極致，看看到底如何。六七十年代，霍金他們研究之后，在經(jīng)典的廣義相對論里面已經(jīng)基本上很難再往下深入，因為基本已經(jīng)做完了。當(dāng)然現(xiàn)在用數(shù)值方法做雙黑洞并合等是更進(jìn)一步的發(fā)展，所以也不能說廣義相對論就完全做完了，但就80年代而言差不多可以算是告一段落。

再進(jìn)一步，需要觀測的指導(dǎo)和線索。到了七八十年代，隨著天文觀測技術(shù)的發(fā)展，無論在黑洞還是宇宙學(xué)方面，都有了很多可以觀測的機會。所以從80年代開始，大家的研究方向大部分轉(zhuǎn)向了如何用觀測的方式獲得宇宙學(xué)早期的信息，所以研究的趨勢已經(jīng)發(fā)生了變化。初版于80年代的宇宙學(xué)著作《早期宇宙》一書90年代后期再版時，作者就說，發(fā)現(xiàn)量子宇宙學(xué)的領(lǐng)域沒有太多新的變化，更新都是在觀測方面。

三聯(lián)生活周刊：

“霍金輻射”在多大程度上得到了證明？

陳學(xué)雷：“霍金輻射”從理論上有一個比較令人信服的論證，但是要證實比較困難。

物理不像數(shù)學(xué)，證明了就結(jié)束。物理研究的證明實際上多是以實驗為前提或者是“近似”的推論。

“霍金輻射”里面一個推測是，黑洞產(chǎn)生霍金輻射，黑洞的質(zhì)量越小，輻射的溫度越高，越劇烈；黑洞質(zhì)量越大，輻射越緩慢。如果有小黑洞，是可以看到它產(chǎn)生的霍金輻射的。

這樣一來就出問題了：因為天文上發(fā)現(xiàn)的那些黑洞的質(zhì)量是比較大的，它的輻射都很緩慢，溫度太低，目前來看很難用現(xiàn)有的技術(shù)觀測到。

霍金也曾經(jīng)有一種猜想：宇宙大爆炸的時候，如果能夠生成一些原始小黑洞，這些小黑洞可以很快蒸發(fā)，產(chǎn)生霍金輻射，那么有可能被觀測到。這個猜想引起很多人的興趣。

當(dāng)年廣義相對論預(yù)言了引力波，聽上去很對，沒有人懷疑。但是從20世紀(jì)初期預(yù)言“引力波”，到21世紀(jì)找到引力波，差不多用了100年的時間。其實從理論的角度來說，“霍金輻射”可能還比引力波的可靠性稍微弱一點。

三聯(lián)生活周刊：

為什么相對于引力波來說，“霍金輻射”可靠性弱一點？

陳學(xué)雷：因為引力波它是一個純粹的從經(jīng)典理論推導(dǎo)出來的東西。而霍金通過量子力學(xué)推導(dǎo)出來，量子力學(xué)本身也有一些不確定的因素?；艚疬€有一些假設(shè)，理論上很像是對的，但是要觀測到比較困難。

另外，引力波我們現(xiàn)在之所以能找到，是因為確實有很大質(zhì)量的黑洞在互相繞著轉(zhuǎn)，你可以看到它產(chǎn)生的引力波。如果沒有黑洞，原則上像我們地球繞著太陽轉(zhuǎn)，也能產(chǎn)生引力波。但這個引力波就太微弱了，你要想探測它就非常困難。

霍金輻射的情況就是這樣，如果有他說的小黑洞，那就比較容易探測到。如果沒有小黑洞，我覺得在人類文明史上都不一定有機會能探測到這個東西，因為它討論的溫度太低了，很難觀測。

三聯(lián)生活周刊：

也就是說，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的黑洞都較大，很難觀測到輻射；而容易去證實的“小黑洞”，自然界又不一定存在。那么已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的黑洞，它們的大小大概在什么范圍內(nèi)？“小黑洞”如果存在，小到什么程度可以觀測到？

陳學(xué)雷：已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的這些黑洞，我們基本知道是怎么形成的。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的黑洞有兩大類：一大類叫恒星質(zhì)量黑洞，大概幾十個太陽質(zhì)量的，是恒星演化到末期的時候所形成的；還有一種叫超大質(zhì)量黑洞，這個一般從幾百萬到幾十億個太陽質(zhì)量的都有，那些基本上是星系的中心，它不斷吸積氣體，逐漸長大。這兩種過程我們都清楚。比如說我們銀河系中心黑洞，就是一個大概400萬太陽質(zhì)量的黑洞。

除了這兩類黑洞已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，我們現(xiàn)在有很多理由認(rèn)為還可能有一種介于兩者中間質(zhì)量的黑洞，這個是比較有希望發(fā)現(xiàn)的，但以上三類“霍金輻射”都太弱了。

但是這些都太大了，我們希望有一種質(zhì)量比地球還要小，甚至跟一座山的重量差不多的黑洞。這種黑洞如何才能產(chǎn)生？非常困難?，F(xiàn)在想到的機制是在宇宙大爆炸的時候，有可能會產(chǎn)生出一些“小黑洞”，但這只是一種假設(shè)。是不是一定會產(chǎn)生？沒人有把握?！靶『诙础笔遣皇谴嬖?，都還不知道。

三聯(lián)生活周刊：

霍金這些理論證明的難度有多大？

陳學(xué)雷：一般公眾可能不是很容易理解“證明”的難度。

舉例來說，霍金的“奇點”定理，宇宙當(dāng)中必然有奇點。在他之前，大家也知道有奇點，但并不認(rèn)為奇點是必然的，因為廣義相對論的理論非常復(fù)雜。發(fā)現(xiàn)奇點，是因為當(dāng)時假定恒星或者宇宙是球?qū)ΨQ的，比如恒星往里塌縮變成一個奇點，一個黑洞；或者大爆炸的時候從球一樣的東西里往外長出來。但我們知道真正的恒星不可能是球?qū)ΨQ的，它多少都有一些不對稱的偏離球形的東西。那隨著往里塌縮越來越厲害，球形的東西可能偏離球形。如果是球形撞到一起，構(gòu)成一個奇點。如果不是球形，是不是就可以錯開，避開奇點？

所以在霍金之前，大家都認(rèn)為未必真有奇點，或者說這些奇點只是數(shù)學(xué)上理想化的存在，在物理的情況下可能不存在。但是霍金就使用了一些非常高級的數(shù)學(xué)工具，證明了無論什么情況下都會出現(xiàn)奇點。當(dāng)然還是要承認(rèn)一些前提才成立，但是這些前提是在物理學(xué)上也很合理的一些假設(shè)，所以奇點就不可避免。這是他在學(xué)生階段做出來的第一個比較重要的工作。

傳統(tǒng)的搞相對論的人，很擅長計算。但是“奇點”用到了很新的數(shù)學(xué)工具，比如拓?fù)?，而直到今天，物理學(xué)界掌握這些東西的人仍然很少。數(shù)學(xué)界可能有人懂幾何，但未必懂物理。

有人說，霍金因為生病，很多東西不能去拿算式一個一個去計算，而是靠“想”，他的頭腦里形成了很好的幾何圖像?；艚鸢逊浅２焕那闆r變成了一個自己的獨特的視角去做研究，我認(rèn)為是非常獨特的。

廣義相對論的計算，常常要推公式，一個公式包括幾十項幾百項不同的項是很常見的，常常出現(xiàn)一頁紙寫不下、好幾頁紙都寫不下的復(fù)雜公式。這些東西如果完全不能動手寫的話，計算是非常困難的。霍金就沒有條件做這種計算了，但他運用了一種完全新穎的幾何化的思維方式從另一角度去研究。

三聯(lián)生活周刊：

霍金的這種運用物理和幾何方法相結(jié)合的研究方式，對物理學(xué)界來說難度有多大？

陳學(xué)雷：掌握這些理論基礎(chǔ)的難度還是非常大的。舉個例子，70年代的時候，霍金和他的一個同學(xué)喬治（George Ellis）合寫了一本理論性的學(xué)術(shù)書籍《時空的大尺度結(jié)構(gòu)》。按理說，書出版后，大家只要學(xué)習(xí)書的內(nèi)容就可以了。但實際上大部分人看都看不懂。后來芝加哥大學(xué)的羅伯特（Robert Wald）寫了一本書把這些內(nèi)容簡化了一些，寫得更清楚簡明了一些，大家才容易看懂一些。物理界的人逐漸看懂了，但看起來還是挺費勁的。我國的梁燦彬先生是羅伯特的學(xué)生，又寫了更加清晰詳盡的書，便于大家學(xué)習(xí)，大家去讀才慢慢掌握了這些數(shù)學(xué)工具。但即使到現(xiàn)在，國內(nèi)真正掌握這個的也沒幾個人。

三聯(lián)生活周刊：

霍金的很多發(fā)現(xiàn)包括“霍金輻射”難以經(jīng)過實驗的驗證，所以有人以此來質(zhì)疑他的研究成果，這也是他沒有得諾貝爾獎的一個重要原因。

陳學(xué)雷：霍金的很多發(fā)現(xiàn)并不是經(jīng)過實驗驗證的東西，所以很難說。但有時候思想上的突破也許比實驗上的驗證更重要。舉例來說，其實現(xiàn)在提出和研究超弦理論的人，很多人都得不了諾貝爾獎。因為我認(rèn)為在我有生之年內(nèi)沒有什么希望能夠證明超弦理論。也許它可以被證偽，但是要證實幾乎是不可能的。但它是一個觀念上的突破。

三聯(lián)生活周刊：

物理學(xué)界在對“霍金輻射”的檢驗上，有過哪些嘗試？

陳學(xué)雷：霍金的方法沒有辦法直接檢驗，但現(xiàn)在也有人用所謂模擬的方法去檢驗。比如“聲學(xué)黑洞”。

黑洞中，光出不來，沒辦法模擬真正的黑洞，但可以做一個瀑布式的東西，流體往下流的時候，聲音不能沿著水波穿上去，因為只要往下落的速度超過聲速，聲音就傳不出去了。那么類似的話，應(yīng)該也有霍金輻射一類的東西。但是兩者還有本質(zhì)的區(qū)別，只是現(xiàn)象上有所類似，我們不能認(rèn)為它是真正的證據(jù)，只是給了我們一個類比，和真正的霍金輻射有很大區(qū)別。

三聯(lián)生活周刊：

關(guān)于宇宙的開始，霍金提出了什么新的想法？

陳學(xué)雷：關(guān)于宇宙的開始，原來有幾種想法。一種想法是宇宙一直都是這樣，無始無終的穩(wěn)恒態(tài)理論。這一理論跟觀測不符合，已經(jīng)被排除掉了。第二種想法是大爆炸理論，認(rèn)為宇宙是有起點的。但是起點之前是什么？有兩種說法。一種說法是宇宙之前沒有“時間”這一概念，還有一種說宇宙之前是在收縮，收縮到最小的時候把它再漲出來。

霍金又提供了一種新的說法。他的說法比較難以解釋，叫“沒有邊界”。沒有邊界，是說在宇宙早期的時候，時間和空間這個概念已經(jīng)發(fā)生了變化。他引入了“虛時間”的概念，在“虛時間”里，找不到時間的方向。經(jīng)過某一段演化，才出現(xiàn)一個方向。這個理論有點玄，現(xiàn)在不知道是對還是錯，但是他提出了一種概念上很新穎的想法。

霍金也參與了暴脹理論的研究。暴脹理論認(rèn)為宇宙極早期的時候，經(jīng)過一個很高速的加速膨脹。那么這方面霍金也有一些重要的成就，但不是霍金最偉大的成就，其他科學(xué)家做得更多一些。

三聯(lián)生活周刊：

在引力及其和另外三種力之間的關(guān)系上，霍金做了哪些工作？

陳學(xué)雷：他主要還是研究引力的。四種力中，引力外的其他三種力，其實現(xiàn)在已經(jīng)了解得比較清楚。那么其他這三種力描述的東西要和引力結(jié)合成一個統(tǒng)一理論。你可能看到有時候霍金要有一個“萬物的理論”，他也做過一些這方面的研究，但是應(yīng)該說這個不是他的主要成就，或者說他曾經(jīng)一度以為他做得快接近成功了，但最后發(fā)現(xiàn)還不是?，F(xiàn)在認(rèn)為他主要的成就應(yīng)該還是在萬有引力、廣義相對論這方面的研究。其他三種力怎么樣和萬有引力統(tǒng)一起來，目前誰也沒做到。