黑洞照片不黑，證明霍金說對了

室女座星系團中超大質量星系 Messier 87中心的黑洞圖像，距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍。圖源/中科院之聲

台灣時間4月10日晚，人類歷史上首張黑洞照片“沖洗”完成，經由多國科學家在比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和台北、日本東京、美國華盛頓6個地方同步發布。這張酷似發光甜甜圈的照片，瞬間風靡全球，成為最受關注的全球熱點，我們也因此成為黑洞預言流傳百年來，第一批親眼“看見”黑洞的人類。

此次發布的黑洞照片揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞，它距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍。這個“超巨型”質量黑洞的真容，由分布在全球各地的8個射電望遠鏡組成的虛擬望遠鏡陣列共同完成，有兩百多位科研人員參與其中。

與科幻電影中導演們各種各樣“自以為是”的演繹不同，這張由“事件視界望遠鏡”

（EHT）

發布的黑洞照片充分證明了霍金曾經的猜測：黑洞不是黑的。一直以來，這種因愛因斯坦廣義相對論預言而存在的天體，被人們罩上了種種神秘面紗，它所具有的超強引力，使得光也無法逃脫它的勢力範圍，而這一勢力範圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界

（event horizon）

。

四十年前，英國物理學家史蒂芬·霍金將量子論引入黑洞的經典理論，提出霍金異塵餘生

（hawkingradiation）

的觀點，而這也第一次將霍金的名字和黑洞聯繫在一起。2016年，霍金在英國BBC廣播公司裡斯講演中向大眾傳遞了他對黑洞的洞見：提出了“黑洞沒有毛嗎”，“黑洞並不像想象的那麽黑”，“黑洞上的軟毛”三個在當時看來令人匪夷所思的主題觀點，這位傳奇物理學家曾斷言，只要能理解黑洞以及它們如何挑戰時空的本性，我們就會更接近揭開宇宙的奧秘。這些觀點被收錄入《黑洞不是黑的：霍金BBC裡斯講演》一書之中。在得以窺見黑洞“盛世側顏”的今天，我們可以重讀霍金，了解這些與黑洞有關的文字。

《黑洞不是黑的：霍金BBC裡斯講演》，【英】史蒂芬·霍金（Stephen Hawking) 著，吳忠超 譯，湖南科學技術出版社2017年7月版。

（以下內容摘編自《黑洞不是黑的：霍金BBC裡斯講演》中文版，原作者為史蒂芬·霍金，文中DS部分為大衛·舒克曼書寫的導讀和注解，以便讀者了解。）

黑洞並不是想象的那麽黑

我在前面的講演中留下了一個懸念：關於由恆星坍縮產生的不可思議的致密的天體——黑洞性質的佯謬。有理論提出，具有完全相同性質的黑洞可由無限種不同類型的恆星形成。但是也有理論認為，可能形成具有相同性質的黑洞的恆星類型的數目是有限的。這是一個信息論問題，那就是說，宇宙中的每個粒子和每個力對“是與否”問題都擁有隱含的答案。

就像科學家約翰·惠勒說的那樣，“黑洞無毛”，因此人們從外部無法得知黑洞內部是怎樣的，除了它的質量、旋轉狀態和電荷這三樣信息。這表明，黑洞內部隱藏著大量外圍世界無法得知的信息。如果隱藏在黑洞內部的信息量取決於黑洞的尺度，人們從一般的原理就能預料到，黑洞將會擁有一個非零的溫度，而這意味著黑洞將會發出熱異塵餘生，就會像一塊熾熱的金屬一樣發光。但那是不可能的，眾所周知，沒有任何東西可以從黑洞中逃逸出來。或者說，那時人們就是這麽認為的。

這個佯謬直到1974年初，我利用量子力學研究黑洞鄰近的粒子行為時才被打破。

DS：量子力學是極小空間尺度下的科學，它探索解釋最小尺度的粒子行為。這些粒子不遵循製約像行星那樣巨大得多的物體的運動定律，也就是說，它們不遵循艾薩克·牛頓創立的

定律。利用這種極小空間尺度下的科學去研究大尺度時空是史蒂芬·霍金的開創性成就之一。

使我大吃一驚的是，根據我的研究和計算，黑洞似乎是在以穩定的速率發射粒子。和當時所有人一樣，我堅信黑洞不能發射任何東西。因此，我相當努力地試圖擺脫這一令人難堪的效應。但是，我越苦思冥想，就越難以拒絕承認其正確性，所以最後 我只好無奈地接受了這個發現。最終使我確信它是一個真實存在的物理過程的理由是，飛離粒子的譜是精確熱性的。我的計算預言，黑洞會產生並發射粒子和異塵餘生，恰如其他普通的熱體一樣，其擁有的溫度與其表面引力大小成正比，即和它的質量大小成反比。

DS：這些計算首次證明，黑洞不一定是隻進不出的通往死地的單行道。自然而然地，該理論所提出的異塵餘生被稱為“霍金異塵餘生”而聞名。

自此，黑洞發射熱異塵餘生的數學證據也逐漸被其他科學家用各種不同的手段所確認。下面讓我試著解釋這些發射是如何產生的，但這並不是理解該理論的唯一方法。量子力學表明，整個空間充滿了虛粒子和虛反粒子組成的虛粒子對，它們不斷在空間中成對地成為實體，分離，然後再次碰撞並相互湮滅。

DS：這個概念取決於真空從來就不是空無一物的這個思想。根據量子力學的不確定性原理，總存在粒子出現的機會，不管它們存在的時間多麽短暫。而這個過程總是牽涉到擁有相反特徵的粒子對，它們出現並消失。

這些粒子之所以稱作“虛的”，那是因為不像實粒子那樣，我們不能用檢測器直接觀察到它們。儘管如此，可以測量到它們的間接效應，而且所謂的蘭姆移動的一種小移動證實了它們的存在。蘭姆移動指的是它們在受激的氫原子發射的光譜能級上產生的分裂。現在，在黑洞的場合，虛粒子對中的一個 成員可能落進黑洞，留下了失去伴侶的另一成員，因而這個成員無法湮滅。被遺棄的粒子或反粒子有可能隨它的伴侶落入黑洞，但是它也有可能向無限逃逸，這樣的粒子就作為從黑洞發射出的異塵餘生而出現了。

DS：這一部分理解的關鍵點在於，通常無人注意到虛粒子對的形成和消失。不過，如果這個過程恰巧正發生在黑洞的邊緣，虛粒子對中的一個粒子可能被拖拽進去，而另一個卻沒有。那麽，逃逸的粒子就會顯得似乎正被黑洞“吐出來”。

一個太陽質量的黑洞泄出粒子的速度非常非常慢，以至於我們不可能檢測到該過程。然而，如果有質量小得多的“微”黑洞，比如說一座山那麽重的黑洞。像山那麽重的黑洞會以大約10兆瓦的速率異塵餘生出X射線和伽瑪射線，足以給整個地球提供電能。然而，要控制並利用這樣一個微黑洞絕非易事。你不能直接把它放在發電廠，因為它會穿過地板不斷往地心落去，並在地心處停下來。如果我們擁有這樣的一個黑洞，那保管它的唯一方法就是把它放到環繞地球的軌道上。

人們曾經試圖尋找過這樣的微型黑洞，但迄今還未找到。真是太可惜了，如果他們找到了微黑洞，那我就能獲得諾貝爾獎了！不過要證明我的理論還有其他方法，那就是我們也許能夠在時空的額外維度當中製造微黑洞。

DS：這些“額外維度”是指，超越我們所有人在日常生活中都熟悉的三維，也超越時間的第四維的某種東西。在試圖解釋引力為何比諸如磁力等其他自然力都弱得多的過程中，人們引出了這個思想— 也許引力在平行的其他維度裡也必須起作用。

根據某些理論的理解，我們體驗的宇宙只是在十維或十一維空間中的一個四維面。影片《星際穿越》當中也體現了這個理解。因為光無法通過這些額外維度，而只能通過我們所處宇宙的四個維度傳播，所以我們看不見額外維度。然而，引力卻會影響額外維度，並且引力在那裡的作用比在我們的宇宙中強大得多。

因此，在額外維度中形成小黑洞要容易得多。在瑞士的歐洲粒子物理研究所的LHC，即大型強子對撞機的實驗中，我們也許有機會能觀察到這樣的現象。在LHC當中有一條周長達到27千米的圓形隧道，兩束粒子沿著相反方向圍繞這個隧道飛行，並且最終被強迫碰撞。有些碰撞也許會產生微黑洞。這些黑洞會以一種容易被辨認的模式發射出粒子，我們可以通過這個方式來驗證我的理論。 所以我終究有可能得個諾貝爾獎的！

DS：只有當一個理論經受了時間的檢驗，即事實上已有確鑿的證據證明其正確性後，諾貝爾物理學獎才會頒發給它的發現人。例如，彼得·希格斯是早在20世紀60年代就提出存在某種粒子的科學家之一，這種粒子能賦予其他粒子以質量。將近50年以後，人們才在大型強子對撞機的兩個不同的檢測器上找到了後來被確認為希格斯玻色子真實存在的證據。這是理論科學和工程學、睿智的理論和扎實的工作共同的勝利；最終彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒，一位比利時科學家，共同獲得了這項諾貝爾獎。霍金異塵餘生還未獲得物理證明，而一些物理學家甚至暗示，要檢驗這個理論過於困難，幾乎是不可能的。不過，隨著對黑洞越發深入的研究，霍金異塵餘生被證實存在的時刻終究會到來的吧。

隨著粒子從黑洞逃逸，黑洞將損失質量，並且收縮。而這個行為將使粒子發射率增大，也就是說黑洞損失質量的速率將越來越大。最後，黑洞將會失去它的全部質量並且消失。那麽已落進黑洞的所有粒子和倒霉的航天員的命運將會如何呢？當黑洞消失時，他們當然不可能就這麽重新出現了。在我們看來，除了總質量、旋轉的量和電荷，之前落入黑洞的物體的信息全部丟失了。但是，如果這些信息真的全部丟失了，就會造成一個直擊我們現有的科學理解核心的嚴重問題。

在此前兩百多年的歲月裡，我們都堅信科學的決定論性，也就是說，宇宙的演化遵循科學定律。皮埃爾-西蒙·拉普拉斯構思並表述了這一原理，他說，如果我們知道某一時刻宇宙的狀態，就能夠利用科學定律確定它在未來和過去所有時刻的狀態。

據說，拿破侖曾經問過拉普拉斯，在他的理論當中，上帝起了什麽作用，而拉普拉斯回答道：“閣下，我不需要假設上帝在我的理論當中起了任何作用。”我認為拉普拉斯的這句話並不是在斷言上帝不存在——只是說上帝不乾預世界使之違背科學定律。這點必然是每位科學家都確信的。科學定律如果只在某位超自然的存在決定讓事物運行而不加干涉時才成立，那科學定律就不成其為科學定律了。

在拉普拉斯的決定論性中，人們為了預言未來，必須知道所有粒子在某時刻的位置和速度。然而，要預言宇宙的未來遠沒有這麽簡單，我們還需要考慮沃納·海森伯在1923年提出的不確定性原理，這個原理是量子力學的核心。

該原理表明，你對粒子的位置測量得越精確，對它們的速度就只能測得越不準確，反之亦然。也就是說，你不能同時既準確地知道位置，又準確地知道速度。在這個情況下，要怎樣才能精確地預言未來呢？答案是，雖然我們不能準確地分別預言粒子未來的位置和速度，卻仍能預言粒子未來擁有的所謂的“量子態”。通過所謂的量子態，就能夠在一定精確程度上計算出粒子的位置和速度。我們仍然期望宇宙決定論性可以成立，只不過需要稍微改變一下說法，如果我們知道在某一時刻宇宙的量子態，科學定律應使我們能預言它在其他任何時刻的量子態。

DS：從解釋發生在事件視界的事情開始，我們已經不斷深入探索了科學中某些最重要的具有哲學意味的主題 — 從牛頓機械世界到拉普拉斯定律到海森伯不確定性，還探索了這些原理或者定律是在哪些地方遭遇了黑洞奧妙的挑戰。最重要的是，根據愛因斯坦的廣義相對論，進入黑洞的信息消失了，而量子理論說明它不能被銷毀。

如果信息在黑洞中丟失，我們就不能預言未來，因為黑洞可能發射出任何一堆粒子。它甚至能發射出一台好使的電視機，甚至是一套真皮精裝的莎士比亞全集，儘管這種奇異的發射概率極其微小。你可能會覺得，就算我們不能預言從黑洞裡會跑出什麽東西來，也沒啥大不了的，反正在我們周圍沒有任何黑洞。

不過，這是個原則問題。如果決定論性，也就是宇宙的可預見性在牽涉到黑洞時失效，那它在其他情形下也會失效。更糟的是，如果決定論性失效，那麽我們也就無法確定我們過去歷史的真實性。我們的史書和記憶可能僅僅是幻覺。正是我們的過去決定了我們的現在存在；沒有了歷史的真實性，我們就失去了自己的本體。

因此，信息在黑洞中是否真的丟失了，或者在原則上它是否能被恢復，是一個非常重要的研究課題。許多科學家覺得信息是不應該丟失的，但沒人能提出一個能保存信息的機制。關於這個課題的爭論持續了多年。最後，我找到了自以為是正確的答案，它依賴於理查德·費恩曼的下面這個思想，存在許多不同的可能的歷史，每種歷史都有其發生的概率，而非一個單獨的歷史。在這個情形下，存在著兩大類歷史。其中一類，空間中存在一個黑洞，粒子可以落入這個黑洞；在另一類歷史中，空間中不存在黑洞。

關鍵在於，我們無法從外部斷定，是否存在一個黑洞。因此，總有不存在黑洞的概率。這個可能性就足以保存信息，不過這信息不以非常有用的方式返回。這有點像把一部百科全書燒毀。如果你保留所有的煙和灰，這部百科全書的信息並沒有丟失，只是變得非常難以閱讀。科學家基普·索恩和我同另一位物理學家約翰·普列斯基爾曾經打賭，我和基普認為信息會在黑洞中丟失。當我發現這種保存信息的方式時，我承認賭輸。我輸給了約翰·普列斯基爾一部百科全書。也許我應該就給他書的灰燼。

DS：在持宇宙的完全決定論觀點的理論中，你能燒毀一部百科全書，而且接著重新構建出它——前提條件是，你知道組成這部百科全書的墨水和紙的每個分子的每顆原子的特徵和位置，並且一直跟蹤著它們的一切的話。

目前，我正和劍橋的同事馬爾科姆·佩裡以及哈佛的安德魯·斯特羅明格研究基於所謂超平移的數學思想的新理論，以期解釋使信息從黑洞返回外部的機制。根據我們的理論，信息被編碼到了黑洞的視界上。敬請期待我們在未來發表進一步的消息！

DS：在錄製了裡斯講演後，霍金教授和他的同事發表了一篇論文，該論文從數學上論證了信息能被儲存在事件視界裡。該理論依賴於信息在一個稱為超平移的過程中，被轉變成兩維的全息圖。正如在這個講演之末複製的摘要所展現的，這篇題為“黑洞上的軟毛”的論文為我們提供了這個領域的深奧語言的清晰一瞥，並為我們展現了科學家們試圖解釋它所面臨的挑戰。

對於落入我們所在的宇宙的一個黑洞當中的物體有沒有可能從另一宇宙出來的問題，前面討論對我們有什麽提示？存在具有和不具有黑洞的兩大類可選擇性歷史暗示，物體有可能落入某個黑洞，從另一個宇宙出來。但是這個黑洞必須很大，並且如果它在旋轉的話，那麽它也許具有一個通往另一宇宙的通道。但是你一旦進去了，就再也不能回到現在所處的宇宙當中了。因此，儘管我很熱愛太空飛行，但並不準備去嘗試穿越一個黑洞。

DS:如果一個黑洞在旋轉，那麽它的核心有可能不是由一個無限密度的奇點構成，而是可能存在一個環形的奇性。而正是這導致了不僅落入黑洞而且穿越它的可能性的猜想，儘管這意味著離開我們已知的這一宇宙。史蒂芬·霍金用這一撩人的想法結束了演講：在黑洞另一邊也許存在一些東西。

那麽，我想要在此給你們的留言是，黑洞並不像想象的那麽黑。和我們曾經想象的不同，它們不是一度想象的永久的囹圄。落入其中的物體可以從黑洞逃逸，既可逃回到這個宇宙來，還可逃到另一個宇宙去。因此，如果你覺得自己掉進一個黑洞裡，永遠不要放棄，總有方法能逃出來！

黑洞沒有毛嗎？

有人說，事實有時比小說更不可思議，沒有什麽比黑洞的情形更體現這點了。黑洞比科幻作家的任何異想天開都更怪異，但它們卻是已經被科學證明了的存在。科學界不僅較晚才意識到大質量恆星可在自己的引力作用下往恆星中心坍縮，而且在對坍塌後留下的天體和物質的行為的相關思考也很遲緩。

1939年阿爾伯特·愛因斯坦甚至寫了一篇論文斷言，因為物質只能有限度地被壓縮，所以恆星不能在自身引力作用下坍縮。許多科學家都讚同愛因斯坦的這個直覺判斷。而在反對者當中，最主要的大概要數美國科學家約翰·惠勒了。他在諸多方面都是歷史上推動黑洞理論的英雄。他在20世紀50年代和60年代的研究中強調，許多恆星最終會坍縮，並指出了這種可能性給理論物理學帶來的問題。他還預見到坍縮的恆星轉變成的天體，也就是黑洞的許多性質。

DS:“黑洞”這個詞字面意思很簡單，但是要想象在太空中某處一個真實存在的黑洞則比較困難。試著想象有一個巨大的下水口，水盤旋著流入其中。任何東西一旦滑過這個下水口開始下傾的邊緣—對應黑洞當中所謂的“事件視界”—就無法返回。因為黑洞是如此強有力，甚至連光都會被它們吞沒，所以我們實際上看不到它們。不過科學家知道它們的確存在，因為黑洞會將靠其太近的恆星撕裂開來，與此同時向太空中發出振蕩波。最近一項有重大意義的科學成果就是探測到了正是超過十億年前兩個黑洞碰撞產生的所謂的“引力波”。

在一顆正常恆星的幾十億年壽命的大部分時間裡，支持恆星對抗自身引力的力量來自於恆星內部的熱壓力，而熱壓力產生於將氫轉變成氦的核反應過程中。

DS:美國航空航天局用高壓鍋來比喻恆星。恆星內部的核聚變的爆炸力產生了向外的壓力，將一切都往內拉的恆星自身引力把這壓力約束在恆星內部。

然而，恆星最終必將耗盡它的核燃料，失去與自身引力對抗的熱壓力。這時候恆星就會收縮。在某些情形下，它可能變成一顆“白矮星”而支持自身。然而，1930年薩拉瑪尼安·錢德拉塞卡證明，白矮星的質量大小是有上限的，其最大質量是太陽質量的1.4倍。蘇聯物理學家列夫·朗道對全部由中子構成的恆星計算出類似的最大質量。

DS:白矮星和中子星都曾是像太陽那樣的恆星，而其內部的核燃料已經燃燒殆盡。由於失去了使之脹大的力量，無法阻止自身引力拉力將其縮小，於是它們就變成了宇宙中的某些最致密的天體。不過在恆星的大小排名表上，這些恆星卻是相對較小的，這意味著它們的自身引力大小不足以使恆星完全坍縮。因此，史蒂芬·霍金和其他人最感興趣的問題是，最大的恆星在到達其生命終點時會發生什麽？

那麽，當那無數擁有比白矮星或中子星更大質量的恆星耗盡它們的核燃料時，它們的命運又如何呢？羅伯特·奧本海默，後來的原子彈之父，研究了這個問題。1939年，在和喬治·沃爾科夫、哈特朗德·斯奈德合作的兩篇論文中，他證明了，這樣大質量的恆星，其內部向外的壓力不足以支持自己；而且如果你在計算中忽略壓力，那麽一顆均勻的球面對稱的恆星就會收縮到具有無限密度的單獨的一點。這樣的一點被稱為奇點。

DS:一個奇點是由一顆大質量的恆星被壓縮到難以想象的小的點時的結局。這個概念一直是史蒂芬·霍金研究生涯的典型主題。它不僅有關恆星的終結，還有關形成整個宇宙的起點的更遠為基本的觀念。正是霍金關於這些的數學研究為他獲得了世界性的聲譽。

我們有關空間的所有理論都是在假定時空是光滑和幾乎平坦的基礎上表述的。所以這些理論在奇點處都崩潰了，因為在那裡的時空曲率為無限大。事實上，奇點標誌著時間本身的終結，這也正是愛因斯坦對之持有異議的原因。

DS:愛因斯坦的廣義相對論認為，物體使圍繞它們的時空變形。想象放在一張蹦床上的一個保齡球，它會改變蹦床布料的形狀，使得其他較小的物體朝它滑去。人們通常用這種辦法來比喻和理解引力效應。倘若時空的彎曲程度越來越厲害，最終變成無限大，在此處我們日常所熟知的時空規則就不再適用。

接著第二次世界大戰來臨。大多數科學家，包括羅伯特·奧本海默，都將注意力轉向核物理，引力坍縮問題被大多數人遺忘了。而被稱為“類星體”的遙遠天體的發現重新激起了科學家們對這個研究課題的興趣。

DS:類星體（quasar）是宇宙中最明亮的一類天體，也可能是迄今為止能夠被檢測到的最遙遠的天體。這名字是“類恆星射電源天體”（quasi-stellarradiosources）的縮寫，而且它們被認為是圍繞黑洞渦旋的物質盤。

本文摘自《黑洞不是黑的：霍金BBC裡斯講演》，較原文有刪改，已獲得湖南科學技術出版社授權發布。

導語撰寫：何安安；

編輯：走走；

校對：薛京寧