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黑洞照片不黑证明霍金说对了

归档日期:06-13       文本归类:正确性证明      文章编辑:爱尚语录

  2016年初,史蒂芬·霍金应BBC邀请进行了两次黑洞演讲,向大众传递他对黑洞的洞见,这些内容被收录进《黑洞不是黑的》。霍金曾预言自己会因此获得诺贝尔物理学奖,如今,由“事件视界望远镜”发布的黑洞照片充分证明了他的猜测:黑洞并不是黑的。

  室女座星系团中超大质量星系Messier87中心的黑洞图像,距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。图源/中科院之声

  北京时间4月10日晚,人类历史上首张黑洞照片“冲洗”完成,经由多国科学家在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿6个地方同步发布。这张酷似发光甜甜圈的照片,瞬间风靡全球,成为最受关注的全球热点,我们也因此成为黑洞预言流传百年来,第一批亲眼“看见”黑洞的人类。

  此次发布的黑洞照片揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,它距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。这个“超巨型”质量黑洞的真容,由分布在全球各地的8个射电望远镜组成的虚拟望远镜阵列共同完成,有两百多位科研人员参与其中。

  与科幻电影中导演们各种各样“自以为是”的演绎不同,这张由“事件视界望远镜”

  四十年前,英国物理学家史蒂芬·霍金将量子论引入黑洞的经典理论,提出霍金辐射

  的观点,而这也第一次将霍金的名字和黑洞联系在一起。2016年,霍金在英国BBC广播公司里斯讲演中向大众传递了他对黑洞的洞见:提出了“黑洞没有毛吗”,“黑洞并不像想象的那么黑”,“黑洞上的软毛”三个在当时看来令人匪夷所思的主题观点,这位传奇物理学家曾断言,只要能理解黑洞以及它们如何挑战时空的本性,我们就会更接近揭开宇宙的奥秘。这些观点被收录入《黑洞不是黑的:霍金BBC里斯讲演》一书之中。在得以窥见黑洞“盛世侧颜”的今天,我们可以重读霍金,了解这些与黑洞有关的文字。

  《黑洞不是黑的:霍金BBC里斯讲演》,【英】史蒂芬·霍金(Stephen Hawking) 著,吴忠超 译,湖南科学技术出版社2017年7月版。

  (以下内容摘编自《黑洞不是黑的:霍金BBC里斯讲演》中文版,原作者为史蒂芬·霍金,文中DS部分为大卫·舒克曼书写的导读和注解,以便读者了解。)

  我在前面的讲演中留下了一个悬念:关于由恒星坍缩产生的不可思议的致密的天体——黑洞性质的佯谬。有理论提出,具有完全相同性质的黑洞可由无限种不同类型的恒星形成。但是也有理论认为,可能形成具有相同性质的黑洞的恒星类型的数目是有限的。这是一个信息论问题,那就是说,宇宙中的每个粒子和每个力对“是与否”问题都拥有隐含的答案。

  就像科学家约翰·惠勒说的那样,“黑洞无毛”,因此人们从外部无法得知黑洞内部是怎样的,除了它的质量、旋转状态和电荷这三样信息。这表明,黑洞内部隐藏着大量外部世界无法得知的信息。如果隐藏在黑洞内部的信息量取决于黑洞的尺度,人们从一般的原理就能预料到,黑洞将会拥有一个非零的温度,而这意味着黑洞将会发出热辐射,就会像一块炽热的金属一样发光。但那是不可能的,众所周知,没有任何东西可以从黑洞中逃逸出来。或者说,那时人们就是这么认为的。

  这个佯谬直到1974年初,我利用量子力学研究黑洞邻近的粒子行为时才被打破。

  DS:量子力学是极小空间尺度下的科学,它探索解释最小尺度的粒子行为。这些粒子不遵循制约像行星那样巨大得多的物体的运动定律,也就是说,它们不遵循艾萨克·牛顿创立的

  定律。利用这种极小空间尺度下的科学去研究大尺度时空是史蒂芬·霍金的开创性成就之一。

  使我大吃一惊的是,根据我的研究和计算,黑洞似乎是在以稳定的速率发射粒子。和当时所有人一样,我坚信黑洞不能发射任何东西。因此,我相当努力地试图摆脱这一令人难堪的效应。但是,我越苦思冥想,就越难以拒绝承认其正确性,所以最后 我只好无奈地接受了这个发现。最终使我确信它是一个真实存在的物理过程的理由是,飞离粒子的谱是精确热性的。我的计算预言,黑洞会产生并发射粒子和辐射,恰如其他普通的热体一样,其拥有的温度与其表面引力大小成正比,即和它的质量大小成反比。

  DS:这些计算首次证明,黑洞不一定是只进不出的通往死地的单行道。自然而然地,该理论所提出的辐射被称为“霍金辐射”而闻名。

  自此,黑洞发射热辐射的数学证据也逐渐被其他科学家用各种不同的手段所确认。下面让我试着解释这些发射是如何产生的,但这并不是理解该理论的唯一方法。量子力学表明,整个空间充满了虚粒子和虚反粒子组成的虚粒子对,它们不断在空间中成对地成为实体,分离,然后再次碰撞并相互湮灭。

  DS:这个概念取决于真空从来就不是空无一物的这个思想。根据量子力学的不确定性原理,总存在粒子出现的机会,不管它们存在的时间多么短暂。而这个过程总是牵涉到拥有相反特征的粒子对,它们出现并消失。

  这些粒子之所以称作“虚的”,那是因为不像实粒子那样,我们不能用检测器直接观察到它们。尽管如此,可以测量到它们的间接效应,而且所谓的兰姆移动的一种小移动证实了它们的存在。兰姆移动指的是它们在受激的氢原子发射的光谱能级上产生的分裂。现在,在黑洞的场合,虚粒子对中的一个 成员可能落进黑洞,留下了失去伴侣的另一成员,因而这个成员无法湮灭。被遗弃的粒子或反粒子有可能随它的伴侣落入黑洞,但是它也有可能向无限逃逸,这样的粒子就作为从黑洞发射出的辐射而出现了。

  DS:这一部分理解的关键点在于,通常无人注意到虚粒子对的形成和消失。不过,如果这个过程恰巧正发生在黑洞的边缘,虚粒子对中的一个粒子可能被拖拽进去,而另一个却没有。那么,逃逸的粒子就会显得似乎正被黑洞“吐出来”。

  一个太阳质量的黑洞泄出粒子的速度非常非常慢,以至于我们不可能检测到该过程。然而,如果有质量小得多的“微”黑洞,比如说一座山那么重的黑洞。像山那么重的黑洞会以大约10万亿瓦的速率辐射出X射线和伽玛射线,足以给整个地球提供电能。然而,要控制并利用这样一个微黑洞绝非易事。你不能直接把它放在发电厂,因为它会穿过地板不断往地心落去,并在地心处停下来。如果我们拥有这样的一个黑洞,那保管它的唯一方法就是把它放到环绕地球的轨道上。

  人们曾经试图寻找过这样的微型黑洞,但迄今还未找到。真是太可惜了,如果他们找到了微黑洞,那我就能获得诺贝尔奖了!不过要证明我的理论还有其他方法,那就是我们也许能够在时空的额外维度当中制造微黑洞。

  DS:这些“额外维度”是指,超越我们所有人在日常生活中都熟悉的三维,也超越时间的第四维的某种东西。在试图解释引力为何比诸如磁力等其他自然力都弱得多的过程中,人们引出了这个思想— 也许引力在平行的其他维度里也必须起作用。

  根据某些理论的理解,我们体验的宇宙只是在十维或十一维空间中的一个四维面。影片《星际穿越》当中也体现了这个理解。因为光无法通过这些额外维度,而只能通过我们所处宇宙的四个维度传播,所以我们看不见额外维度。然而,引力却会影响额外维度,并且引力在那里的作用比在我们的宇宙中强大得多。

  因此,在额外维度中形成小黑洞要容易得多。在瑞士的欧洲粒子物理研究所的LHC,即大型强子对撞机的实验中,我们也许有机会能观察到这样的现象。在LHC当中有一条周长达到27千米的圆形隧道,两束粒子沿着相反方向围绕这个隧道飞行,并且最终被强迫碰撞。有些碰撞也许会产生微黑洞。这些黑洞会以一种容易被辨认的模式发射出粒子,我们可以通过这个方式来验证我的理论。 所以我终究有可能得个诺贝尔奖的!

  DS:只有当一个理论经受了时间的检验,即事实上已有确凿的证据证明其正确性后,诺贝尔物理学奖才会颁发给它的发现人。例如,彼得·希格斯是早在20世纪60年代就提出存在某种粒子的科学家之一,这种粒子能赋予其他粒子以质量。将近50年以后,人们才在大型强子对撞机的两个不同的检测器上找到了后来被确认为希格斯玻色子真实存在的证据。这是理论科学和工程学、睿智的理论和扎实的工作共同的胜利;最终彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒,一位比利时科学家,共同获得了这项诺贝尔奖。霍金辐射还未获得物理证明,而一些物理学家甚至暗示,要检验这个理论过于困难,几乎是不可能的。不过,随着对黑洞越发深入的研究,霍金辐射被证实存在的时刻终究会到来的吧。

  随着粒子从黑洞逃逸,黑洞将损失质量,并且收缩。而这个行为将使粒子发射率增大,也就是说黑洞损失质量的速率将越来越大。最后,黑洞将会失去它的全部质量并且消失。那么已落进黑洞的所有粒子和倒霉的航天员的命运将会如何呢?当黑洞消失时,他们当然不可能就这么重新出现了。在我们看来,除了总质量、旋转的量和电荷,之前落入黑洞的物体的信息全部丢失了。但是,如果这些信息真的全部丢失了,就会造成一个直击我们现有的科学理解核心的严重问题。

  在此前两百多年的岁月里,我们都坚信科学的决定论性,也就是说,宇宙的演化遵循科学定律。皮埃尔-西蒙·拉普拉斯构思并表述了这一原理,他说,如果我们知道某一时刻宇宙的状态,就能够利用科学定律确定它在未来和过去所有时刻的状态。

  据说,拿破仑曾经问过拉普拉斯,在他的理论当中,上帝起了什么作用,而拉普拉斯回答道:“阁下,我不需要假设上帝在我的理论当中起了任何作用。”我认为拉普拉斯的这句话并不是在断言上帝不存在——只是说上帝不干预世界使之违背科学定律。这点必然是每位科学家都确信的。科学定律如果只在某位超自然的存在决定让事物运行而不加干涉时才成立,那科学定律就不成其为科学定律了。

  在拉普拉斯的决定论性中,人们为了预言未来,必须知道所有粒子在某时刻的位置和速度。然而,要预言宇宙的未来远没有这么简单,我们还需要考虑沃纳·海森伯在1923年提出的不确定性原理,这个原理是量子力学的核心。

  该原理表明,你对粒子的位置测量得越精确,对它们的速度就只能测得越不准确,反之亦然。也就是说,你不能同时既准确地知道位置,又准确地知道速度。在这个情况下,要怎样才能精确地预言未来呢?答案是,虽然我们不能准确地分别预言粒子未来的位置和速度,却仍能预言粒子未来拥有的所谓的“量子态”。通过所谓的量子态,就能够在一定精确程度上计算出粒子的位置和速度。我们仍然期望宇宙决定论性可以成立,只不过需要稍微改变一下说法,如果我们知道在某一时刻宇宙的量子态,科学定律应使我们能预言它在其他任何时刻的量子态。

  DS:从解释发生在事件视界的事情开始,我们已经不断深入探索了科学中某些最重要的具有哲学意味的主题 — 从牛顿机械世界到拉普拉斯定律到海森伯不确定性,还探索了这些原理或者定律是在哪些地方遭遇了黑洞奥妙的挑战。最重要的是,根据爱因斯坦的广义相对论,进入黑洞的信息消失了,而量子理论说明它不能被销毁。

  如果信息在黑洞中丢失,我们就不能预言未来,因为黑洞可能发射出任何一堆粒子。它甚至能发射出一台好使的电视机,甚至是一套真皮精装的莎士比亚全集,尽管这种奇异的发射概率极其微小。你可能会觉得,就算我们不能预言从黑洞里会跑出什么东西来,也没啥大不了的,反正在我们周围没有任何黑洞。

  不过,这是个原则问题。如果决定论性,也就是宇宙的可预见性在牵涉到黑洞时失效,那它在其他情形下也会失效。更糟的是,如果决定论性失效,那么我们也就无法确定我们过去历史的真实性。我们的史书和记忆可能仅仅是幻觉。正是我们的过去决定了我们的现在存在;没有了历史的真实性,我们就失去了自己的本体。

  因此,信息在黑洞中是否真的丢失了,或者在原则上它是否能被恢复,是一个非常重要的研究课题。许多科学家觉得信息是不应该丢失的,但没人能提出一个能保存信息的机制。关于这个课题的争论持续了多年。最后,我找到了自以为是正确的答案,它依赖于理查德·费恩曼的下面这个思想,存在许多不同的可能的历史,每种历史都有其发生的概率,而非一个单独的历史。在这个情形下,存在着两大类历史。其中一类,空间中存在一个黑洞,粒子可以落入这个黑洞;在另一类历史中,空间中不存在黑洞。

  关键在于,我们无法从外部断定,是否存在一个黑洞。因此,总有不存在黑洞的概率。这个可能性就足以保存信息,不过这信息不以非常有用的方式返回。这有点像把一部百科全书烧毁。如果你保留所有的烟和灰,这部百科全书的信息并没有丢失,只是变得非常难以阅读。科学家基普·索恩和我同另一位物理学家约翰·普列斯基尔曾经打赌,我和基普认为信息会在黑洞中丢失。当我发现这种保存信息的方式时,我承认赌输。我输给了约翰·普列斯基尔一部百科全书。也许我应该就给他书的灰烬。

  DS:在持宇宙的完全决定论观点的理论中,你能烧毁一部百科全书,而且接着重新构建出它——前提条件是,你知道组成这部百科全书的墨水和纸的每个分子的每颗原子的特征和位置,并且一直跟踪着它们的一切的话。

  目前,我正和剑桥的同事马尔科姆·佩里以及哈佛的安德鲁·斯特罗明格研究基于所谓超平移的数学思想的新理论,以期解释使信息从黑洞返回外部的机制。根据我们的理论,信息被编码到了黑洞的视界上。敬请期待我们在未来发表进一步的消息!

  DS:在录制了里斯讲演后,霍金教授和他的同事发表了一篇论文,该论文从数学上论证了信息能被储存在事件视界里。该理论依赖于信息在一个称为超平移的过程中,被转变成两维的全息图。正如在这个讲演之末复制的摘要所展现的,这篇题为“黑洞上的软毛”的论文为我们提供了这个领域的深奥语言的清晰一瞥,并为我们展现了科学家们试图解释它所面临的挑战。

  对于落入我们所在的宇宙的一个黑洞当中的物体有没有可能从另一宇宙出来的问题,前面讨论对我们有什么提示?存在具有和不具有黑洞的两大类可选择性历史暗示,物体有可能落入某个黑洞,从另一个宇宙出来。但是这个黑洞必须很大,并且如果它在旋转的话,那么它也许具有一个通往另一宇宙的通道。但是你一旦进去了,就再也不能回到现在所处的宇宙当中了。因此,尽管我很热爱太空飞行,但并不准备去尝试穿越一个黑洞。

  DS:如果一个黑洞在旋转,那么它的核心有可能不是由一个无限密度的奇点构成,而是可能存在一个环形的奇性。而正是这导致了不仅落入黑洞而且穿越它的可能性的猜想,尽管这意味着离开我们已知的这一宇宙。史蒂芬·霍金用这一撩人的想法结束了演讲:在黑洞另一边也许存在一些东西。

  那么,我想要在此给你们的留言是,黑洞并不像想象的那么黑。和我们曾经想象的不同,它们不是一度想象的永久的囹圄。落入其中的物体可以从黑洞逃逸,既可逃回到这个宇宙来,还可逃到另一个宇宙去。因此,如果你觉得自己掉进一个黑洞里,永远不要放弃,总有方法能逃出来!

  有人说,事实有时比小说更不可思议,没有什么比黑洞的情形更体现这点了。黑洞比科幻作家的任何异想天开都更怪异,但它们却是已经被科学证明了的存在。科学界不仅较晚才意识到大质量恒星可在自己的引力作用下往恒星中心坍缩,而且在对坍塌后留下的天体和物质的行为的相关思考也很迟缓。

  1939年阿尔伯特·爱因斯坦甚至写了一篇论文断言,因为物质只能有限度地被压缩,所以恒星不能在自身引力作用下坍缩。许多科学家都赞同爱因斯坦的这个直觉判断。而在反对者当中,最主要的大概要数美国科学家约翰·惠勒了。他在诸多方面都是历史上推动黑洞理论的英雄。他在20世纪50年代和60年代的研究中强调,许多恒星最终会坍缩,并指出了这种可能性给理论物理学带来的问题。他还预见到坍缩的恒星转变成的天体,也就是黑洞的许多性质。

  DS:“黑洞”这个词字面意思很简单,但是要想象在太空中某处一个真实存在的黑洞则比较困难。试着想象有一个巨大的下水口,水盘旋着流入其中。任何东西一旦滑过这个下水口开始下倾的边缘—对应黑洞当中所谓的“事件视界”—就无法返回。因为黑洞是如此强有力,甚至连光都会被它们吞没,所以我们实际上看不到它们。不过科学家知道它们的确存在,因为黑洞会将靠其太近的恒星撕裂开来,与此同时向太空中发出振荡波。最近一项有重大意义的科学成果就是探测到了正是超过十亿年前两个黑洞碰撞产生的所谓的“引力波”。

  在一颗正常恒星的几十亿年寿命的大部分时间里,支持恒星对抗自身引力的力量来自于恒星内部的热压力,而热压力产生于将氢转变成氦的核反应过程中。

  DS:美国航空航天局用高压锅来比喻恒星。恒星内部的核聚变的爆炸力产生了向外的压力,将一切都往内拉的恒星自身引力把这压力约束在恒星内部。

  然而,恒星最终必将耗尽它的核燃料,失去与自身引力对抗的热压力。这时候恒星就会收缩。在某些情形下,它可能变成一颗“白矮星”而支持自身。然而,1930年萨拉玛尼安·钱德拉塞卡证明,白矮星的质量大小是有上限的,其最大质量是太阳质量的1.4倍。苏联物理学家列夫·朗道对全部由中子构成的恒星计算出类似的最大质量。

  DS:白矮星和中子星都曾是像太阳那样的恒星,而其内部的核燃料已经燃烧殆尽。由于失去了使之胀大的力量,无法阻止自身引力拉力将其缩小,于是它们就变成了宇宙中的某些最致密的天体。不过在恒星的大小排名表上,这些恒星却是相对较小的,这意味着它们的自身引力大小不足以使恒星完全坍缩。因此,史蒂芬·霍金和其他人最感兴趣的问题是,最大的恒星在到达其生命终点时会发生什么?

  那么,当那无数拥有比白矮星或中子星更大质量的恒星耗尽它们的核燃料时,它们的命运又如何呢?罗伯特·奥本海默,后来的之父,研究了这个问题。1939年,在和乔治·沃尔科夫、哈特朗德·斯奈德合作的两篇论文中,他证明了,这样大质量的恒星,其内部向外的压力不足以支持自己;而且如果你在计算中忽略压力,那么一颗均匀的球面对称的恒星就会收缩到具有无限密度的单独的一点。这样的一点被称为奇点。

  DS:一个奇点是由一颗大质量的恒星被压缩到难以想象的小的点时的结局。这个概念一直是史蒂芬·霍金研究生涯的典型主题。它不仅有关恒星的终结,还有关形成整个宇宙的起点的更远为基本的观念。正是霍金关于这些的数学研究为他获得了世界性的声誉。

  我们有关空间的所有理论都是在假定时空是光滑和几乎平坦的基础上表述的。所以这些理论在奇点处都崩溃了,因为在那里的时空曲率为无限大。事实上,奇点标志着时间本身的终结,这也正是爱因斯坦对之持有异议的原因。

  DS:爱因斯坦的广义相对论认为,物体使围绕它们的时空变形。想象放在一张蹦床上的一个保龄球,它会改变蹦床布料的形状,使得其他较小的物体朝它滑去。人们通常用这种办法来比喻和理解引力效应。倘若时空的弯曲程度越来越厉害,最终变成无限大,在此处我们日常所熟知的时空规则就不再适用。

  接着第二次世界大战来临。大多数科学家,包括罗伯特·奥本海默,都将注意力转向核物理,引力坍缩问题被大多数人遗忘了。而被称为“类星体”的遥远天体的发现重新激起了科学家们对这个研究课题的兴趣。

  DS:类星体(quasar)是宇宙中最明亮的一类天体,也可能是迄今为止能够被检测到的最遥远的天体。这名字是“类恒星射电源天体”(quasi-stellarradiosources)的缩写,而且它们被认为是围绕黑洞涡旋的物质盘。

  本文摘自《黑洞不是黑的:霍金BBC里斯讲演》,较原文有删改,已获得湖南科学技术出版社授权发布。

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