黃志洵

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

2019年4月10日的電訊說，一個國際團隊在全球6個地點同時召開記者會，宣布獲得了首張黑洞照片(其實是黑洞輪廓)。由此又說廣義相對論得到印證，而且這是諾貝爾級成果。這次的宣傳攻勢很大，可能目標(biāo)是今年的諾貝爾物理獎。據(jù)媒體的說法，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5500萬光年。從照片上看這是一個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(accretion disk)。媒體的報道又說，黑洞并不是一個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)堆積在一個極小的區(qū)域)，所以是supermassive(超大質(zhì)量)的。這次觀測到的黑洞質(zhì)量是太陽的65億倍。

據(jù)說，拍照的工具是“Event Horizon Telescope”(“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，簡稱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。事件視界實際是指event(事件)被觀測到的界限。目前，超越事件視界的景象，也就是黑洞內(nèi)部，是無法被觀測到的。

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

1 從經(jīng)典黑洞到廣義相對論(GR)黑洞

1783年，英國人John Michell向英國皇家學(xué)會報告了一個科學(xué)預(yù)言：宇宙中可能存在“暗星”。按照Newton的萬有引力定律，可以計算出物質(zhì)粒子從某個星體逃離時所必須的最小速度。例如對地球而言，逃逸速度為11km/s。他推論，宇宙中可能存在一種black star(或dark star)，其特點是光微粒(當(dāng)時尚無光子概念)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)在所說的東西。

今天所謂黑洞始于德國人Karl Schwarzschild(以下稱史瓦西)，他看到1915年Einstein發(fā)表于《普魯士科學(xué)院會議報告》上的廣義相對論(GR)，并立即對其引力場方程(EGFE)在簡單情況下的求解做出了貢獻(xiàn)。他假定：①星體為球狀；②星體無旋轉(zhuǎn)；③星體具有均勻質(zhì)量；④引力場是靜止的。所以，雖然我們說EGFE非常復(fù)雜實際上無法求解，但是史瓦西卻搞出了一個近似的(簡化條件下的)解析解。史瓦西解寫作

式中r是致密星體半徑，M是質(zhì)量，G是萬有引力常數(shù)，θ、φ為球坐標(biāo)相應(yīng)的角度，t是時間。故度規(guī)張量元素為

等等；取下式代表一個球面：

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，在這個半徑以內(nèi)的物體，即使速度等于光速也沒有足夠的能量克服引力而飛出，即使光子也不能飛出這個區(qū)域，所以這個區(qū)域叫“黑洞”。在黑洞邊界，時空度規(guī)無限大發(fā)散；此即黑洞的奇點問題。另一問題是，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，表示在物理實在中不會有史瓦西奇點。但現(xiàn)在的主流物理界不承認(rèn)他的意見，認(rèn)為那更多的是來自一種直覺。……王令雋教授則認(rèn)為，Einstein持這種態(tài)度是因為黑洞邊界上的無限大發(fā)散(以及黑洞內(nèi)的時空反轉(zhuǎn))都是悖論，承認(rèn)黑洞存在就會毀掉整個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出場了。1972年至1973年他提出了關(guān)于黑洞過程不可逆性的黑洞動力學(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，這是因為量子理論決定了黑洞表面真空漲落造成虛粒子對，負(fù)能虛粒子經(jīng)由隧道效應(yīng)而進(jìn)入黑洞，正能粒子穿過外引力而輻射出來。因此，遠(yuǎn)處的觀察者有可能觀察到黑洞?！璈awking radiation理論使他成為一位明星或權(quán)威，也推動黑洞研究進(jìn)入高潮。這樣，研究人員越來越多，似乎產(chǎn)業(yè)化了。這些追隨者沒想到，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。黑洞怎能就沒有了？一定要證明它存在。

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

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，死人是不會站出來辯論的；只要從正面對成果做宣傳即可。

3 對EHT黑洞照片的評論

可以說，沒有人否認(rèn)這個國際團隊拍出了一張宇宙中某個天體的照片。問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。他們都有許多物理學(xué)論文、書籍行世，在國際上也有一定影響。王令雋先生回答說：

“我們怎么正確地認(rèn)識這張公布了的EHT黑洞照片？其實很簡單，這就是一張?zhí)祗w照片，和廣義相對論毫無關(guān)系，也根本不能作為證實廣義相對論的直接證據(jù)。要和廣義相對論扯上關(guān)系，必須證明這張照片上的東西具有相對論黑洞的兩個本質(zhì)特征：①在所認(rèn)定的所謂“黑洞”邊界(Event Horizon)上時空度規(guī)無限大發(fā)散；②在這個邊界以內(nèi)時間與空間反轉(zhuǎn)。如果不能證明這兩點，那就根本不能說這張照片就是廣義相對論黑洞。這張照片是地球上8個射電天文臺的亞毫米波觀測數(shù)據(jù)由電腦合成的照片，信號不在可見光頻段，所以所有的彩色都不是直接觀測的，而是根據(jù)數(shù)學(xué)模型模擬計算出來的。但是，這不是我要說的根本問題，我無意挑戰(zhàn)EHT團隊的敬業(yè)精神和學(xué)術(shù)誠實，也無意質(zhì)疑這張照片的真實性。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，這些和廣義相對論黑洞毫無關(guān)系，除非你能證明你所觀察到的天體具有邊界上的無窮大發(fā)散和內(nèi)部的時空反轉(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。但也不能阻擋后人繼續(xù)進(jìn)行黑洞的研究項目，因為黑洞研究已然成為了一個國際性的產(chǎn)業(yè)。任何一個產(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在學(xué)術(shù)界存在相當(dāng)長的時期?！?/p>

在電子郵件中，王教授強調(diào)說：“黑色天體不一定是廣義相對論意義上的黑洞。廣義相對論意義上的黑洞必須符合兩個本質(zhì)特性：①在黑洞的邊界上引力無窮大：②在黑洞里面時間和空間反轉(zhuǎn)，時間變成空間，空間變成時間。如果不能證實這兩點本質(zhì)特性，僅僅展示一張黑圈圈圖片，不足以說明那就是黑洞，就認(rèn)為驗證了廣義相對論?！?/p>

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。但這里有一個問題：既然EHT實驗團隊有理論團隊為實驗提供理論準(zhǔn)備，難道他們沒有證明所觀察的天體具有廣義相對論黑洞的本質(zhì)特性？王先生認(rèn)為絕對沒有；因為實際上沒有任何人能證明一個邊界上度規(guī)無窮大發(fā)散而邊界內(nèi)時空反轉(zhuǎn)的天體的存在。

梅曉春先生的見解與王教授類似；他說，Newton理論中就有黑洞的存在(半徑與廣義相對論黑洞一樣)，沒有視界。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，有一個視界。物質(zhì)全部壓縮成奇點，視界是一個球面，視界內(nèi)是真空，什么都沒有。這樣的怪物是不可能存在的。這個照片沒有證明是Einstein黑洞，看不到視界的存在?？傊?，目前公布的黑洞照片，是一個數(shù)據(jù)合成的東西，電腦上搞出來的想象物，根本不是人的眼睛看到樣子。這個黑洞相片的圓圈周圍有大量的光芒，憑什么正面就沒有光？這是不可能的，黑洞只能躲在球面的光亮中，不可能對地球網(wǎng)開一面?！?/p>

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

4 在兩個層面上的思考

本文提出的問題涉及兩個層面：純學(xué)術(shù)的方面和西方科學(xué)界的社會狀態(tài)問題。先看前者；我們知道，Einstein引力場方程(EGFE)具有非常復(fù)雜的特性，實際上不可求解。百年前史瓦西找到了一個最簡單的邊界條件下的解，也就是球?qū)ΨQ質(zhì)量的靜止引力場。打那以后，理論并無真正的進(jìn)展。其次，盡管現(xiàn)在的國際團隊不提及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)為黑洞實際上并不黑，而是會隨時間推移散發(fā)出少量輻射。這一結(jié)果極為重要，因為它表明黑洞一旦停止“生長”，將會因能量損失而開始非常緩慢地收縮。然而在當(dāng)前，事件視界望遠(yuǎn)鏡項目并沒有對這一理論予以證實或否認(rèn)。至于Hawking在晚年否定黑洞存在，國際團隊既不愿、也不會提及。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”實際上暴露出相對論與量子理論之間的巨大矛盾。據(jù)報道，已有美國天體物理學(xué)家提出這個問題——廣義相對論與量子力學(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，這張照片一點也不令人驚訝，因為它沒有提供可能彌合這兩個領(lǐng)域之間鴻溝的新物理學(xué)解釋。

現(xiàn)在考慮社會層面的問題。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，美國LIGO竟于2016年宣布，他們在2015年“觀測到兩個黑洞碰撞(合并)造成的引力波”。這種缺乏實證的說法竟然在2017年獲頒Nobel物理獎，讓人驚訝但又不奇怪。

EHT作為一個國際合作項目，如從建立各射電天文臺的時間算起，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。發(fā)表一張宣稱是黑洞的照片，對于被大爆炸宇宙學(xué)控制而處境日益困難的天體物理學(xué)界，無疑是一劑強心針。媒體熱炒，是非常自然的。不少人估計這一工作會贏得諾貝爾獎，也是完全可能的。此前有LIGO引力波實驗贏得了諾貝爾獎，也有LHC的上帝粒子探測實驗獲得了諾貝爾獎，都是先例。像這種大規(guī)模的國際合作項目，無論人力物力都是其他科研項目無法比的。對其肯定與否，直接影響到社會對此類超大型科研(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)家想的那么簡單。

必須承認(rèn)西方科學(xué)界既往的輝煌，計量學(xué)中的國際單位制(SI)中的幾十個參數(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)費已經(jīng)花掉了，不出成果就無法交代。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”，也是我們反對繼續(xù)緊跟西方的一個重要原因。

5 結(jié)束語

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

EHT團隊可能說，照片就是黑洞存在的鐵證。然而對此筆者尚不能認(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(滿足兩個理論要求)；再次，你必須證明Hawking晚年否定黑洞的理由是錯的?！绻@些證據(jù)都還沒有，那么我們只能說“這是一張?zhí)祗w照片”。這不是貶低EHT團隊的工作，而是自然科學(xué)的邏輯性規(guī)則和實證性原則促使我們提出的嚴(yán)格要求。

回過頭來看GR理論，雖然從提出至今已有104年，而且早就寫入大學(xué)教科書；但至今仍然在討論其正確性，質(zhì)疑之聲時有所聞。英國天文學(xué)家A.Eddington(1882-1944)領(lǐng)導(dǎo)了1919年的著名實驗，利用日蝕的機會觀測了經(jīng)過太陽的光線彎曲，便宣告GR理論已被證實，英國《泰晤士報》就在頭版報道，成為轟動世界的新聞。其實日冕像地球大氣一樣會使光線折射彎曲，如此簡單的道理竟被人們忽視了。有一位德國教授Ditrisch對1919年實驗曾評論說：“承認(rèn)結(jié)論不等于承認(rèn)理由；該實驗雖重要，但不能說Einstein理論已被證實”；這屬于少數(shù)人的清醒聲音。

在當(dāng)代中國，改革開放使建設(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，獨立思考仍然重要——這就是本文的結(jié)論。

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