黃志洵

(中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

2019年4月10日的電訊說(shuō)，一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)在全球6個(gè)地點(diǎn)同時(shí)召開(kāi)記者會(huì)，宣布獲得了首張黑洞照片(其實(shí)是黑洞輪廓)。由此又說(shuō)廣義相對(duì)論得到印證，而且這是諾貝爾級(jí)成果。這次的宣傳攻勢(shì)很大，可能目標(biāo)是今年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。據(jù)媒體的說(shuō)法，首次向人類展示自己真容的黑洞位于室女座超巨橢圓星系M87(Messier 87)中心，距離地球大約5500萬(wàn)光年。從照片上看這是一個(gè)中心為黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)，黑色部分是黑洞投下的“陰影”(shadow)，明亮部分是繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤(pán)(accretion disk)。媒體的報(bào)道又說(shuō)，黑洞并不是一個(gè)empty space(空蕩蕩的空間)，而是a great amount of matter packed into a very small area(大量物質(zhì)堆積在一個(gè)極小的區(qū)域)，所以是supermassive(超大質(zhì)量)的。這次觀測(cè)到的黑洞質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍。

據(jù)說(shuō)，拍照的工具是“Event Horizon Telescope”(“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，簡(jiǎn)稱EHT)。那么什么是event horizon？在黑洞周圍，光線不能逃脫的臨界范圍被稱為黑洞的半徑或事件視界。事件視界實(shí)際是指event(事件)被觀測(cè)到的界限。目前，超越事件視界的景象，也就是黑洞內(nèi)部，是無(wú)法被觀測(cè)到的。

許多文章都說(shuō)黑洞是大師Albert Einstein的預(yù)期。沒(méi)有一份材料提到過(guò)，Einstein其實(shí)并不認(rèn)同黑洞存在。此外，也無(wú)人提及曾經(jīng)的科學(xué)泰斗Stephan Hawking，這位以研究黑洞成名的劍橋大學(xué)教授最終對(duì)黑洞持否定態(tài)度?！@篇短文是在又一個(gè)宣傳造勢(shì)高潮中談點(diǎn)看法，供大家參考。

1 從經(jīng)典黑洞到廣義相對(duì)論(GR)黑洞

1783年，英國(guó)人John Michell向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)報(bào)告了一個(gè)科學(xué)預(yù)言：宇宙中可能存在“暗星”。按照Newton的萬(wàn)有引力定律，可以計(jì)算出物質(zhì)粒子從某個(gè)星體逃離時(shí)所必須的最小速度。例如對(duì)地球而言，逃逸速度為11km/s。他推論，宇宙中可能存在一種black star(或dark star)，其特點(diǎn)是光微粒(當(dāng)時(shí)尚無(wú)光子概念)均被該天體的引力拉回，故地球人看不到它們。13年后，法國(guó)數(shù)學(xué)家Pierre Simon Laplace提出了類似的設(shè)想?！@是今天的黑洞(black holes)概念的早期形式。但這并不是現(xiàn)在所說(shuō)的東西。

今天所謂黑洞始于德國(guó)人Karl Schwarzschild(以下稱史瓦西)，他看到1915年Einstein發(fā)表于《普魯士科學(xué)院會(huì)議報(bào)告》上的廣義相對(duì)論(GR)，并立即對(duì)其引力場(chǎng)方程(EGFE)在簡(jiǎn)單情況下的求解做出了貢獻(xiàn)。他假定：①星體為球狀；②星體無(wú)旋轉(zhuǎn)；③星體具有均勻質(zhì)量；④引力場(chǎng)是靜止的。所以，雖然我們說(shuō)EGFE非常復(fù)雜實(shí)際上無(wú)法求解，但是史瓦西卻搞出了一個(gè)近似的(簡(jiǎn)化條件下的)解析解。史瓦西解寫(xiě)作

式中r是致密星體半徑，M是質(zhì)量，G是萬(wàn)有引力常數(shù)，θ、φ為球坐標(biāo)相應(yīng)的角度，t是時(shí)間。故度規(guī)張量元素為

等等；取下式代表一個(gè)球面：

r=rs=2GM

在該球面上g00=0，g11=∞，等等；rs叫史瓦西半徑?，F(xiàn)在rs是解的奇點(diǎn)，在這個(gè)半徑以內(nèi)的物體，即使速度等于光速也沒(méi)有足夠的能量克服引力而飛出，即使光子也不能飛出這個(gè)區(qū)域，所以這個(gè)區(qū)域叫“黑洞”。在黑洞邊界，時(shí)空度規(guī)無(wú)限大發(fā)散；此即黑洞的奇點(diǎn)問(wèn)題。另一問(wèn)題是，當(dāng)r

總之，r

值得注意的是，GR的發(fā)明人Einstein并不認(rèn)為黑洞存在。他在1939年的論文中論述了他的想法，表示在物理實(shí)在中不會(huì)有史瓦西奇點(diǎn)。但現(xiàn)在的主流物理界不承認(rèn)他的意見(jiàn)，認(rèn)為那更多的是來(lái)自一種直覺(jué)?！趿铍h教授則認(rèn)為，Einstein持這種態(tài)度是因?yàn)楹诙催吔缟系臒o(wú)限大發(fā)散(以及黑洞內(nèi)的時(shí)空反轉(zhuǎn))都是悖論，承認(rèn)黑洞存在就會(huì)毀掉整個(gè)GR理論。

2 霍金(S.Hawking)：著名黑洞物理學(xué)家在晚年否定黑洞存在

20世紀(jì)70年代，身殘志不殘的著名物理學(xué)家Stephan.Hawking出場(chǎng)了。1972年至1973年他提出了關(guān)于黑洞過(guò)程不可逆性的黑洞動(dòng)力學(xué)第二定律，也叫視界面積不減定理。1974年他提出黑洞有輻射，這是因?yàn)榱孔永碚摏Q定了黑洞表面真空漲落造成虛粒子對(duì)，負(fù)能虛粒子經(jīng)由隧道效應(yīng)而進(jìn)入黑洞，正能粒子穿過(guò)外引力而輻射出來(lái)。因此，遠(yuǎn)處的觀察者有可能觀察到黑洞。……Hawking radiation理論使他成為一位明星或權(quán)威，也推動(dòng)黑洞研究進(jìn)入高潮。這樣，研究人員越來(lái)越多，似乎產(chǎn)業(yè)化了。這些追隨者沒(méi)想到，Hawking在晚年自己把這一切推翻，宣稱黑洞并不存在。但黑洞物理學(xué)家們并不認(rèn)賬。黑洞怎能就沒(méi)有了？一定要證明它存在。

2004年Hawking公開(kāi)承認(rèn)自己在30年前犯了錯(cuò)誤。2014年，他先在與《Nature》雜志人員的訪談中說(shuō)，雖然經(jīng)典理論認(rèn)為物質(zhì)無(wú)法從黑洞中脫逃，但在量子理論中卻允許能量和信息從黑洞中出來(lái)。當(dāng)年1月22日，Hawking在arXiv預(yù)印本網(wǎng)站貼出文章說(shuō)，根本不存在黑洞邊界(event horizon)，視界線與量子理論矛盾，黑洞是沒(méi)有的。黑洞理論是自己一生中的最大錯(cuò)誤(biggest blunder)?！捎贖awking是黑洞物理學(xué)的領(lǐng)軍人物，他的認(rèn)錯(cuò)引發(fā)了軒然大波。由于考慮自己的個(gè)人利益，也由于在量子力學(xué)(QM)與相對(duì)論的矛盾中Hawking公然站到了QM一邊，Hawking的追隨者們憤怒地起來(lái)責(zé)怪他。例如美國(guó)UC-Berkeley的R.Bousso說(shuō)：“Hawking的認(rèn)錯(cuò)令人憎恨”。

今天，宣布“拍到黑洞照片”的人們，自然避免提到Hawking。既然Hawking早已去世，死人是不會(huì)站出來(lái)辯論的；只要從正面對(duì)成果做宣傳即可。

3 對(duì)EHT黑洞照片的評(píng)論

可以說(shuō)，沒(méi)有人否認(rèn)這個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)拍出了一張宇宙中某個(gè)天體的照片。問(wèn)題在于這是什么照片？是否某種黑暗天體，怎么證明它就是黑洞？而且，怎么證明它不是經(jīng)典黑洞，而是GR黑洞？……帶著這些問(wèn)題，筆者征詢了兩位物理學(xué)家(王令雋教授、梅曉春研究員)的意見(jiàn)。他們都有許多物理學(xué)論文、書(shū)籍行世，在國(guó)際上也有一定影響。王令雋先生回答說(shuō)：

“我們?cè)趺凑_地認(rèn)識(shí)這張公布了的EHT黑洞照片？其實(shí)很簡(jiǎn)單，這就是一張?zhí)祗w照片，和廣義相對(duì)論毫無(wú)關(guān)系，也根本不能作為證實(shí)廣義相對(duì)論的直接證據(jù)。要和廣義相對(duì)論扯上關(guān)系，必須證明這張照片上的東西具有相對(duì)論黑洞的兩個(gè)本質(zhì)特征：①在所認(rèn)定的所謂“黑洞”邊界(Event Horizon)上時(shí)空度規(guī)無(wú)限大發(fā)散；②在這個(gè)邊界以內(nèi)時(shí)間與空間反轉(zhuǎn)。如果不能證明這兩點(diǎn)，那就根本不能說(shuō)這張照片就是廣義相對(duì)論黑洞。這張照片是地球上8個(gè)射電天文臺(tái)的亞毫米波觀測(cè)數(shù)據(jù)由電腦合成的照片，信號(hào)不在可見(jiàn)光頻段，所以所有的彩色都不是直接觀測(cè)的，而是根據(jù)數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算出來(lái)的。但是，這不是我要說(shuō)的根本問(wèn)題，我無(wú)意挑戰(zhàn)EHT團(tuán)隊(duì)的敬業(yè)精神和學(xué)術(shù)誠(chéng)實(shí)，也無(wú)意質(zhì)疑這張照片的真實(shí)性。我也不排除宇宙間有非常大的黑色星云或者黑色星體存在的可能性。但是，這些和廣義相對(duì)論黑洞毫無(wú)關(guān)系，除非你能證明你所觀察到的天體具有邊界上的無(wú)窮大發(fā)散和內(nèi)部的時(shí)空反轉(zhuǎn)。

黑洞巨星和權(quán)威霍金晚年否定黑洞的存在，認(rèn)為黑洞研究是他一生鑄成的大錯(cuò)。但也不能阻擋后人繼續(xù)進(jìn)行黑洞的研究項(xiàng)目，因?yàn)楹诙囱芯恳讶怀蔀榱艘粋€(gè)國(guó)際性的產(chǎn)業(yè)。任何一個(gè)產(chǎn)業(yè)都有自我肯定和力求生存的本能。所以，黑洞研究和大爆炸理論研究還會(huì)在學(xué)術(shù)界存在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期?！?/p>

在電子郵件中，王教授強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“黑色天體不一定是廣義相對(duì)論意義上的黑洞。廣義相對(duì)論意義上的黑洞必須符合兩個(gè)本質(zhì)特性：①在黑洞的邊界上引力無(wú)窮大：②在黑洞里面時(shí)間和空間反轉(zhuǎn)，時(shí)間變成空間，空間變成時(shí)間。如果不能證實(shí)這兩點(diǎn)本質(zhì)特性，僅僅展示一張黑圈圈圖片，不足以說(shuō)明那就是黑洞，就認(rèn)為驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。”

因此，他否認(rèn)黑洞存在，指的是宇宙中不存在符合GR定義的黑洞。但這里有一個(gè)問(wèn)題：既然EHT實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)有理論團(tuán)隊(duì)為實(shí)驗(yàn)提供理論準(zhǔn)備，難道他們沒(méi)有證明所觀察的天體具有廣義相對(duì)論黑洞的本質(zhì)特性？王先生認(rèn)為絕對(duì)沒(méi)有；因?yàn)閷?shí)際上沒(méi)有任何人能證明一個(gè)邊界上度規(guī)無(wú)窮大發(fā)散而邊界內(nèi)時(shí)空反轉(zhuǎn)的天體的存在。

梅曉春先生的見(jiàn)解與王教授類似；他說(shuō)，Newton理論中就有黑洞的存在(半徑與廣義相對(duì)論黑洞一樣)，沒(méi)有視界。因此，即使有黑洞，也只能是Newton黑洞，不可能是Einstein黑洞。后者是奇異性黑洞，有一個(gè)視界。物質(zhì)全部壓縮成奇點(diǎn)，視界是一個(gè)球面，視界內(nèi)是真空，什么都沒(méi)有。這樣的怪物是不可能存在的。這個(gè)照片沒(méi)有證明是Einstein黑洞，看不到視界的存在?？傊?，目前公布的黑洞照片，是一個(gè)數(shù)據(jù)合成的東西，電腦上搞出來(lái)的想象物，根本不是人的眼睛看到樣子。這個(gè)黑洞相片的圓圈周圍有大量的光芒，憑什么正面就沒(méi)有光？這是不可能的，黑洞只能躲在球面的光亮中，不可能對(duì)地球網(wǎng)開(kāi)一面?！?/p>

總之，兩位專家都對(duì)“黑洞照片”持否定態(tài)度，認(rèn)為歷史今后會(huì)有不同的評(píng)價(jià)。

4 在兩個(gè)層面上的思考

本文提出的問(wèn)題涉及兩個(gè)層面：純學(xué)術(shù)的方面和西方科學(xué)界的社會(huì)狀態(tài)問(wèn)題。先看前者；我們知道，Einstein引力場(chǎng)方程(EGFE)具有非常復(fù)雜的特性，實(shí)際上不可求解。百年前史瓦西找到了一個(gè)最簡(jiǎn)單的邊界條件下的解，也就是球?qū)ΨQ質(zhì)量的靜止引力場(chǎng)。打那以后，理論并無(wú)真正的進(jìn)展。其次，盡管現(xiàn)在的國(guó)際團(tuán)隊(duì)不提及Hawking，但他的作用和影響仍然存在。物理學(xué)家霍金職業(yè)生涯早期對(duì)物理學(xué)作出的最大貢獻(xiàn)是提出“霍金輻射”概念，即認(rèn)為黑洞實(shí)際上并不黑，而是會(huì)隨時(shí)間推移散發(fā)出少量輻射。這一結(jié)果極為重要，因?yàn)樗砻骱诙匆坏┩Ｖ埂吧L(zhǎng)”，將會(huì)因能量損失而開(kāi)始非常緩慢地收縮。然而在當(dāng)前，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目并沒(méi)有對(duì)這一理論予以證實(shí)或否認(rèn)。至于Hawking在晚年否定黑洞存在，國(guó)際團(tuán)隊(duì)既不愿、也不會(huì)提及。情況給人的印象是，EHT研究的理論支撐還很不夠。

不僅如此，筆者認(rèn)為“霍金認(rèn)錯(cuò)”實(shí)際上暴露出相對(duì)論與量子理論之間的巨大矛盾。據(jù)報(bào)道，已有美國(guó)天體物理學(xué)家提出這個(gè)問(wèn)題——廣義相對(duì)論與量子力學(xué)如何契合？量子引力仍是物理學(xué)中最重要的未解之謎之一。專家指出，這張照片一點(diǎn)也不令人驚訝，因?yàn)樗鼪](méi)有提供可能彌合這兩個(gè)領(lǐng)域之間鴻溝的新物理學(xué)解釋。

現(xiàn)在考慮社會(huì)層面的問(wèn)題。應(yīng)當(dāng)指出，科學(xué)界并非一池清水，科學(xué)家也不都是謙謙君子。筆者早就注意到，近年來(lái)西方科學(xué)界(特別在理論物理界)亂象頻生。在“黑洞是否真的存在”懸而未決時(shí)，美國(guó)LIGO竟于2016年宣布，他們?cè)?015年“觀測(cè)到兩個(gè)黑洞碰撞(合并)造成的引力波”。這種缺乏實(shí)證的說(shuō)法竟然在2017年獲頒Nobel物理獎(jiǎng)，讓人驚訝但又不奇怪。

EHT作為一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目，如從建立各射電天文臺(tái)的時(shí)間算起，也是幾十年的努力了。這么大的陣仗，僅憑霍金一句話，不可能就停下來(lái)。發(fā)表一張宣稱是黑洞的照片，對(duì)于被大爆炸宇宙學(xué)控制而處境日益困難的天體物理學(xué)界，無(wú)疑是一劑強(qiáng)心針。媒體熱炒，是非常自然的。不少人估計(jì)這一工作會(huì)贏得諾貝爾獎(jiǎng)，也是完全可能的。此前有LIGO引力波實(shí)驗(yàn)贏得了諾貝爾獎(jiǎng)，也有LHC的上帝粒子探測(cè)實(shí)驗(yàn)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，都是先例。像這種大規(guī)模的國(guó)際合作項(xiàng)目，無(wú)論人力物力都是其他科研項(xiàng)目無(wú)法比的。對(duì)其肯定與否，直接影響到社會(huì)對(duì)此類超大型科研(Big Science)的進(jìn)一步支持?！@是西方科學(xué)界目前的情況，不像潔身自好的科學(xué)家想的那么簡(jiǎn)單。

必須承認(rèn)西方科學(xué)界既往的輝煌，計(jì)量學(xué)中的國(guó)際單位制(SI)中的幾十個(gè)參數(shù)和單位，都以西方科學(xué)家的姓氏命名。但現(xiàn)在的情況不同，搞科學(xué)已是動(dòng)用大資金的大工程，必須有政府、企業(yè)家及公眾的支持。大筆經(jīng)費(fèi)已經(jīng)花掉了，不出成果就無(wú)法交代。如果失去支持，許多科學(xué)家、工程師和技術(shù)工人甚至?xí)I(yè)?！沁@些情況造成了筆者所謂的“西方科學(xué)界亂象”和“變了味的諾獎(jiǎng)”，也是我們反對(duì)繼續(xù)緊跟西方的一個(gè)重要原因。

5 結(jié)束語(yǔ)

從本文內(nèi)容可知，黑洞概念來(lái)自數(shù)學(xué)分析?？茖W(xué)研究當(dāng)然離不開(kāi)數(shù)學(xué)，但數(shù)學(xué)不能代替物理實(shí)在。究竟宇宙中有沒(méi)有黑洞，權(quán)威人物(如Einstein、Hawking)仍然心中存疑；這個(gè)問(wèn)題尚未完全解決。

EHT團(tuán)隊(duì)可能說(shuō)，照片就是黑洞存在的鐵證。然而對(duì)此筆者尚不能認(rèn)同——首先，你必須證明這不是某種黑色天體；其次，你必須證明它不是經(jīng)典黑洞(即暗星)，而是GR黑洞(滿足兩個(gè)理論要求)；再次，你必須證明Hawking晚年否定黑洞的理由是錯(cuò)的?！绻@些證據(jù)都還沒(méi)有，那么我們只能說(shuō)“這是一張?zhí)祗w照片”。這不是貶低EHT團(tuán)隊(duì)的工作，而是自然科學(xué)的邏輯性規(guī)則和實(shí)證性原則促使我們提出的嚴(yán)格要求。

回過(guò)頭來(lái)看GR理論，雖然從提出至今已有104年，而且早就寫(xiě)入大學(xué)教科書(shū)；但至今仍然在討論其正確性，質(zhì)疑之聲時(shí)有所聞。英國(guó)天文學(xué)家A.Eddington(1882-1944)領(lǐng)導(dǎo)了1919年的著名實(shí)驗(yàn)，利用日蝕的機(jī)會(huì)觀測(cè)了經(jīng)過(guò)太陽(yáng)的光線彎曲，便宣告GR理論已被證實(shí)，英國(guó)《泰晤士報(bào)》就在頭版報(bào)道，成為轟動(dòng)世界的新聞。其實(shí)日冕像地球大氣一樣會(huì)使光線折射彎曲，如此簡(jiǎn)單的道理竟被人們忽視了。有一位德國(guó)教授Ditrisch對(duì)1919年實(shí)驗(yàn)曾評(píng)論說(shuō)：“承認(rèn)結(jié)論不等于承認(rèn)理由；該實(shí)驗(yàn)雖重要，但不能說(shuō)Einstein理論已被證實(shí)”；這屬于少數(shù)人的清醒聲音。

在當(dāng)代中國(guó)，改革開(kāi)放使建設(shè)事業(yè)取得了偉大成就；其中也包含向西方科技界學(xué)習(xí)的作用。但現(xiàn)在我們不必(也不可)再迷信及緊跟西方，獨(dú)立思考仍然重要——這就是本文的結(jié)論。

致謝：在寫(xiě)這篇短文時(shí)，曾與在美國(guó)工作的王令雋教授和中國(guó)物理學(xué)家梅曉春研究員討論，獲得很大啟發(fā)；謹(jǐn)致謝忱。