黃志洵

（中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024）

1 引言

黑洞（black hole）是一個(gè)能吸吞任何物質(zhì)的天體，是一個(gè)怪物。宇宙中究竟有無黑洞，爭論已久。既然是天體，它本身是否也應(yīng)該是物質(zhì)？天文學(xué)家都回避這個(gè)問題。對(duì)它的研究是一個(gè)似乎只有天體物理學(xué)家才能進(jìn)入的領(lǐng)域，但事實(shí)上它引起了許多非天文專業(yè)人士的關(guān)注（筆者也包括在內(nèi)[1,2]）。這首先因?yàn)楹诙词且环N非常奇怪、極端的事物，十分難以理解；這反而激起了人們的興趣。其次，在黑洞那里現(xiàn)有的物理理論全都失效；人們似乎無法知道在該處發(fā)生的情況，仿佛預(yù)先知道會(huì)發(fā)生理論失效。顯然，黑洞存在性問題成為爭論的焦點(diǎn)；筆者的文章[2]強(qiáng)調(diào)指出，所謂黑洞是基于數(shù)學(xué)推演（而非物理實(shí)證）的產(chǎn)物。這樣講就與2020 年的Nobel 物理獎(jiǎng)唱了反調(diào)。文章推出后受到某老科學(xué)家的贊揚(yáng)，說“非常欽佩您的理性質(zhì)疑和獨(dú)到見解”。但筆者并非最先質(zhì)疑黑洞存在的人，文獻(xiàn)[3,4]早就作了有力的分析和駁斥。時(shí)至今日，我們感覺意猶未盡，想對(duì)這個(gè)黑洞物理學(xué)（Physics of Blake Holes,PBH）再作討論，看看黑洞究竟真的是代表一種“宇宙的出口”（an exit point from the universe）的天體，還是無法證明（也沒有證明）其存在的空中樓閣。

2020 年的Nobel 物理獎(jiǎng)的授予把PBH 研究推向了高潮，現(xiàn)在來看一下3 位獲獎(jiǎng)人被頒獎(jiǎng)的理由和他們所做的工作。獎(jiǎng)金的一半給予英國人Roger Penrose，“以表彰其給出的黑洞形成的證明，并成為廣義相對(duì)論（GR）的有力證據(jù)”（另一說法是，Penrose“發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是對(duì)廣義相對(duì)論的有力預(yù)測(cè)”）。獎(jiǎng)金的另一半由2人平分——德國人Reinhard Genzel和美國人Andrea Ghez，“以表彰他們發(fā)現(xiàn)了在銀河系中央的一個(gè)超大質(zhì)量的致密天體”，（另一說法是，Genzel 和Ghez“在銀河系中心發(fā)現(xiàn)超高質(zhì)量高密度物質(zhì)”）。我們注意到，在這些陳述中沒有說“已經(jīng)獲得了黑洞確實(shí)存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)”。

在Nobel 委員會(huì)的引領(lǐng)和暗示下，西方科學(xué)界掀起了對(duì)PBH作研究和預(yù)言的強(qiáng)大宣傳。2021年1月5日至7日，媒體密集報(bào)道關(guān)于蟲洞（worm hole，指兩個(gè)黑洞之間的通道）的事，說“科學(xué)家找到星際穿越的門戶”。大爆炸宇宙學(xué)（Cosmology of Big Bang）也展開宣傳，1 月5 日美國《Scientific American》網(wǎng)站說，天文學(xué)家“已得到宇宙年齡準(zhǔn)確數(shù)字，為137.7億年”。1月10 日，同一刊物開始討論“平行宇宙的存在性”。1 月13日，美國《科學(xué)日?qǐng)?bào)》網(wǎng)站說，人類可以“利用來自黑洞的能量”，甚至將來可以“不依靠恒星能源，而居住在黑洞附近”。1 月25 日，另一個(gè)科學(xué)網(wǎng)站說外星人一定存在，而他們是由黑洞獲取強(qiáng)大的能源。這哪里是搞科學(xué)？完全是一些不著邊際的幻想！事態(tài)的發(fā)展促使筆者再寫文章，重點(diǎn)仍是討論黑洞這個(gè)怪物是否可能存在。

2 數(shù)學(xué)中的無限大與物理中的無限大

“奇點(diǎn)物理”是筆者為描述西方理論物理界的情況，而提出的一個(gè)詞[2]，其英文寫作Singularity Physics，或Physics of Singularities。這個(gè)問題需要作較深入詳盡的討論，我們?cè)谶@里先介紹及回顧物理學(xué)大師Paul Dirac（1902-1984）在晚年的一些觀點(diǎn)[5]。Dirac 的科學(xué)貢獻(xiàn)是眾所周知的，他曾預(yù)言正電子(positron)；他推導(dǎo)了著名的量子波方程；他發(fā)展了自旋電子理論（theory of the spinning electron）；等等。晚年時(shí)他到世界各地講學(xué)，表露的思想（包含對(duì)西方科學(xué)界現(xiàn)狀的評(píng)論）既深刻尖銳，又與他年青時(shí)的想法常有不同。

1933 年，在他31 歲時(shí)的Nobel 講演詞中，Dirac 流露出的是欣慰和得意，認(rèn)為自己解決了Schr?dinger沒有做、Klein 和Gordon 沒做好的問題，即“在相對(duì)論指導(dǎo)下導(dǎo)出微觀粒子波方程”。但到了后來，在1964 年（62歲）時(shí)他明確地指出，建立相對(duì)論性量子力學(xué)有不可克服的困難。在1978 年（76 歲）時(shí)他表現(xiàn)出強(qiáng)烈的困惑和不滿[6]：從根本上不再著迷于“相對(duì)論與量子力學(xué)的一致和協(xié)調(diào)”。他說，所謂“相對(duì)論性量子力學(xué)”，必須滿足若干條件，然而為滿足它們卻需要碰運(yùn)氣。例如在曲面上不可能建立相對(duì)論性量子理論。Dirac說，即使達(dá)到了關(guān)于相對(duì)論性量子理論的自洽性要求，仍有一些十分令人畏懼的困難。這是因?yàn)樵趫龅那樾蜗掠袩o限多個(gè)自由度，求解方程時(shí)未知量波函數(shù)Ψ 包含無限多個(gè)變量，微擾法會(huì)陷入困境，面臨發(fā)散積分。此外還有一些其他困難。

在物理學(xué)中，量子場論（QFT）和量子電動(dòng)力學(xué)（QED）的短板是著名的發(fā)散問題，根源在于這是一種點(diǎn)粒子場論。例如，在1940 年R.Feynman 就注意到“電子自作用能無限大”給電磁場理論造成了突出的問題，而這是由于描述電子的模型是點(diǎn)粒子。這就是說，點(diǎn)電荷的自作用存在發(fā)散困難。如把電子看成沒有結(jié)構(gòu)的點(diǎn)，它產(chǎn)生的場對(duì)本身作用引起的電磁質(zhì)量就是無限大。

Dirac 在關(guān)于QED 的演講中談到重整化，他首先論述的正是這個(gè)電子質(zhì)量問題。電子質(zhì)量當(dāng)然不會(huì)是無限大，不過電子與場相互作用的這個(gè)質(zhì)量會(huì)有變化，Dirac 指出，無法對(duì)無限大質(zhì)量賦予什么意義；雖然對(duì)由Coulomb 場圍繞的點(diǎn)電子（電荷集中于一點(diǎn)）來說，如對(duì)這個(gè)場積分就會(huì)得到無限大能量。人們?cè)凇叭サ魺o限大項(xiàng)”的情況下繼續(xù)計(jì)算，得到的結(jié)果（如Lamb shift和反常磁矩）都與觀測(cè)相符；因此就說QED是個(gè)好理論，不必為它操心了。Dirac 對(duì)此極為不滿，因?yàn)樗^“好理論”是在忽略一些無限大時(shí)獲得的——這既武斷也不合理。

在今天，筆者對(duì)Dirac 晚年思想的引述是有意義的。因?yàn)檫@個(gè)“無限大”問題實(shí)即奇異性問題、奇點(diǎn)問題，在物理理論（尤其是與相對(duì)論相關(guān)的理論）中比比皆是。仔細(xì)閱讀P.Dirac 的晚年著作，如《Diractions in Physics》（1978）等，你會(huì)看到他不斷地與相對(duì)論拉開距離，與年青時(shí)很不相同。

然而，已有物理學(xué)家用簡單明了的語句表達(dá)了對(duì)“無限大”問題的看法。例如2014年王令雋[3]說：“Einstein場方程的經(jīng)典解中有一個(gè)奇點(diǎn)，在這里時(shí)空度規(guī)發(fā)散為無窮大。一個(gè)發(fā)散的解是失敗的數(shù)學(xué)表述。避免無限大是一個(gè)科學(xué)家的常識(shí)。黑洞就是Schwarzchild 半徑內(nèi)的時(shí)空；黑洞里的時(shí)空反轉(zhuǎn)決定了整個(gè)黑洞理論毫無價(jià)值”。又如，2015年梅曉春[4]說：“有許多數(shù)學(xué)上有理、物理上卻莫名其妙的東西。為何那么多物理學(xué)家對(duì)奇異性黑洞感興趣？需知除了宇宙本身，現(xiàn)實(shí)世界沒有無限大。在奇點(diǎn)附近，一切計(jì)算均無意義。那種奇點(diǎn)無處不在的理論一定有問題。”（在以上引文中，著重點(diǎn)為筆者所加）。

那么是否有頭腦不清醒的物理學(xué)家？筆者認(rèn)為不但有，而且很多。他們或是躲避這個(gè)無限大（如Dirac 所說），或是欣賞、利用這個(gè)無限大。這涉及兩個(gè)相對(duì)論——狹義相對(duì)論（SR）和廣義相對(duì)論（GR）。先看SR，物理學(xué)中有一個(gè)著名的質(zhì)速公式，設(shè)m為動(dòng)體質(zhì)量，m0為靜止時(shí)物體質(zhì)量，則m與m0的關(guān)系為：

在流體力學(xué)中，或說在聲波傳播中，也有類似的公式：

式中ρ是氣體密度，ρ0是靜止密度，(c是聲速)。宋健說，在航空工程實(shí)現(xiàn)超聲速飛行之前，這個(gè)在奇點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的聲激波也被認(rèn)為是奇點(diǎn)造成的不可克服的聲障（sonic barrier）。但事實(shí)證明，即使β=1 也不會(huì)出現(xiàn)無限大密度，ρ的增高不超過6 倍(ρ=6ρ0)。因此，經(jīng)艱苦努力后超聲速飛行于1947 年終獲成功。這就是說，對(duì)奇點(diǎn)不要夸大，更不要恐懼——“關(guān)于光障問題是否有類似前景，我們拭目以待”。

3 從奇點(diǎn)物理到黑洞

1798 年，著名的法國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家P.Laplace[10]寫道：“如果一顆發(fā)光的星球，其密度和地球相等，其體積比太陽大250 倍，那么由于星球的引力，它的光線將到達(dá)不到我們這里，因此，宇宙間最大的一些發(fā)光的星球有可能是看不見的?！?/p>

這是原始的PBH理論（或猜想），產(chǎn)生于相對(duì)論誕生前107 年(按SR 計(jì)算)或117 年(按GR 計(jì)算)。因此，如果Laplace 說的東西是黑洞，那么它和相對(duì)論扯不上關(guān)系。這顯然與現(xiàn)時(shí)流行的PBH 不同?，F(xiàn)在流行的說法，無論教材（例如劉遼[11]）或媒體宣傳，都說PBH 建基于GR 和恒星演化原理，即一顆質(zhì)量超過某種上限值的晚期恒星，會(huì)無限地塌縮從而成為黑洞。因此，所謂奇異性黑洞理論的基礎(chǔ)有兩方面：首先是Einstein[12]引力場方程(即EGFE)的解，有時(shí)直接稱之為黑洞解；其次是大質(zhì)量物體會(huì)塌縮的原理。前者如Schwarzschild[13]、Reissner[14]、Kerr[15]；后 者 如Oppenheimer-Snyder[16]。所以，目前如果你不提相對(duì)論，PBH專家根本不會(huì)與你討論(注：Einstein 本人其實(shí)沒有這態(tài)度，詳后）。另一方面，重要的教材卻根本不提Oppenheimer(例如文獻(xiàn)[11]、[17])，筆者不知道這是什么原因。

就這樣，一個(gè)早期科學(xué)家Laplace 的樸素想法，到今天必須和某個(gè)理論系統(tǒng)（相對(duì)論）綁在一起。對(duì)此有人會(huì)解釋說，這是因?yàn)橄鄬?duì)論（主要指GR）預(yù)言了黑洞。但查遍GR 的基本著作文獻(xiàn)，你并找不到這個(gè)預(yù)言。即以多次重版(重印)的劉遼著作而論[11]，其第八章黑洞物理(本文稱為PBH)的邏輯系統(tǒng)如下：

——先講“靜態(tài)荷電球外部解Reissner-Nordstrom度規(guī)”，是說對(duì)靜態(tài)荷電球外求EGFE 的解，即RN 度規(guī)。取電荷為零時(shí)應(yīng)得Schwarzschild解；

——再講“Kerr-Newman 度規(guī)”，這是說勻速轉(zhuǎn)動(dòng)球體外的引力場由KN度規(guī)給出；

——續(xù)講“事件視界和能層”，其中討論了Schwarzschild 時(shí)空的視界和Kerr時(shí)空的視界；在這里斷言說“黑洞的反演即白洞”，故有S 黑洞、S 白洞之分，K黑洞、S白洞之分。又講了“時(shí)空坐標(biāo)互換”。

——又講“Kerr度規(guī)的奇異性”，說Kerr時(shí)空的奇區(qū)不是盤而是環(huán)；

——再講“Kerr度規(guī)中的測(cè)地線”；

——又講“Penrose 圖（時(shí)空流形的共形表示）”，說由Penrose 圖 可知，“有 兩個(gè)宇 宙、1 個(gè) 白洞、1 個(gè)黑洞”；

——續(xù)講“黑洞的參量”，包括無毛定理；

——再講“Hawking面積不減定理”；

——又講“黑洞熱力學(xué)”；

——續(xù)講“Starobinsky過程”；

——最后講“Hawking 輻射”，給出輻射公式。在敘述中，把黑洞區(qū)分為“一顆星正塌縮從而形成黑洞”和“完成塌縮的永久黑洞”。

筆者認(rèn)為這種PBH敘事方式有典型性：從頭到尾都是數(shù)學(xué)，重要的物理概念反而沒有。這違反科學(xué)研究的規(guī)則，缺少理論與實(shí)際（實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐）的密切結(jié)合。某人（××）只要對(duì)EGFE 搞出點(diǎn)求解的名堂，他就可以貫名為××度規(guī)、××?xí)r空、××黑洞、××白洞。OS 論文[16]不是求解EGFE，故不提Oppenheimer 的名字，仿佛對(duì)PBH而言此人不存在。

筆者并非一般地反對(duì)命名。天文學(xué)界確有這樣的傳統(tǒng)。但那是為了表揚(yáng)做出突出發(fā)現(xiàn)的人(如“張鈺哲與小行星”），或是用命名以彰顯某位科學(xué)大家的貢獻(xiàn)(例如美籍中國物理學(xué)家吳健雄）。而且這種命名也是由國際天文學(xué)機(jī)構(gòu)決定和施行的。但在PBH研究著作中，卻充斥著Schwarzschild 黑洞、Schwarzschild白洞、Kerr黑洞、Kerr白洞之類的說法[11]。這是很不嚴(yán)肅的，因?yàn)槭紫任覀兏静恢篮诙?、白洞是否真的存在（沒有這些東西的可能性非常大）；其次，Schwarzschild 本人(如未在一戰(zhàn)的前線死亡）或許認(rèn)為自己只不過求解了一道數(shù)學(xué)題，為什么要把不了解（或許也不同意）的概念安到自己頭上？后面將要說明，其實(shí)Einstein本人也從未表示過對(duì)PBH的支持，更不要說白洞了。

回過頭來說Oppenheimer；其實(shí)在PBH 發(fā)展過程中，不引入恒星塌縮的理論學(xué)說，奇異性黑洞從何而來？必須為這事找一個(gè)出路，因此提出了恒星塌縮（或崩塌）的假定。1939年的OS論文認(rèn)為[16]，從GR出發(fā)可以推得以下結(jié)論：一個(gè)物質(zhì)球體在自身引力作用下可能塌縮到引力半徑（rg=2GM/c2）以內(nèi)，此時(shí)球的粒子或光輻射不能逃出到rg球以外，從而形成黑洞。后來都說OS 論文是一個(gè)塌縮恒星的理想化模型；近年來中國科學(xué)家指出[18]：OS 論文存在問題，用GR 并不能證明質(zhì)量足夠大的星體會(huì)塌縮成密度無限大的奇異性黑洞。盡管不同意OS 論文，梅曉春并不認(rèn)為Oppenheimer不存在。

筆者并非反對(duì)理論物理學(xué)家使用數(shù)學(xué)做分析研究。我們反對(duì)的是，數(shù)學(xué)越多越好、越復(fù)雜越好。用數(shù)學(xué)復(fù)雜性嚇唬人，讓人們誤以為這是物理正確的保證，這是錯(cuò)誤的。在PBH中最突出的問題就是以數(shù)學(xué)分析結(jié)果代替（代表）物理實(shí)在，他們根本不管宇宙中究竟有沒有黑洞這種東西。其實(shí)無論黑洞、白洞都是杜撰出來的。無論如何，數(shù)學(xué)推導(dǎo)即使成功，也不等于現(xiàn)實(shí)中的發(fā)現(xiàn)成功。

為什么PBH 理論離不開奇點(diǎn)？因?yàn)槠纥c(diǎn)能提供無限大物質(zhì)密度，因而又有了無限大引力。1916 年Schwarzschild[13]對(duì)1915 年的Einstein 引力場方程(EGFE)[12]，提出一個(gè)簡單情況（球狀結(jié)構(gòu)）下的解析解，這完全是以數(shù)學(xué)家的姿態(tài)去做工作；而他本人不久后即死于第一次世界大戰(zhàn)的德俄前線，并未提供過物理思想。但后來Schwarzschild 解被當(dāng)作PBH 的第一個(gè)象征；他們說，Schwarzschild 解表示時(shí)空中間是一個(gè)奇點(diǎn)，密度無限大，在Schwarzschild 半徑處這個(gè)曲面就叫做事件視界(event horizon)，也就是說只要物質(zhì)(包括光)，進(jìn)入到事件視界以內(nèi)，就出不來了。黑洞比較特殊，它內(nèi)部的時(shí)空坐標(biāo)是互換的，就是半徑從表面一直延伸到奇點(diǎn)。這是一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)，只要進(jìn)入到黑洞內(nèi)部，就必須往奇點(diǎn)方向掉，所以嚴(yán)格說事件視界以內(nèi)的等半徑曲面是一個(gè)等時(shí)面，奇點(diǎn)處就是時(shí)間的終點(diǎn)。假如有一艘宇宙飛船掉進(jìn)黑洞的事件視界，那無論向哪個(gè)方向加大動(dòng)力，都只能更快地奔向奇點(diǎn)。

人們感到好奇的是Penrose 做了什么從而獲得獎(jiǎng)金之半。真實(shí)情況下，恒星塌縮很有可能不是高度對(duì)稱的，恒星可能是奇形怪狀的，每個(gè)地方坍縮的速度不一樣，所以最終有可能不是坍縮成一個(gè)點(diǎn)。1965年R.Penrose[19]證明，對(duì)于Schwarzschild 黑洞，即使不對(duì)稱，恒星原來可能奇形怪狀的，最終都會(huì)坍縮成一個(gè)密度無限大的奇點(diǎn)，這就是Penrose 的“主要貢獻(xiàn)”?，F(xiàn)在我們看到，玩“奇點(diǎn)物理”也能得大獎(jiǎng)；據(jù)說，正是Penrose 的這個(gè)奇點(diǎn)定理保證了奇點(diǎn)的存在，這個(gè)奇點(diǎn)就是時(shí)間結(jié)束的地方，所有物質(zhì)只進(jìn)不出。那會(huì)不會(huì)存在時(shí)間開始的地方所有物質(zhì)只出不進(jìn)？理論上存在，就是白洞，在20 世紀(jì)中的時(shí)期，Stephan Hawking(霍金)其實(shí)一直相信上述內(nèi)容，并與Roger Penrose保持密切的學(xué)術(shù)聯(lián)系。1966 年，Hawking 在其博士論文中把Penrose 的奇點(diǎn)定理推廣到了任意黑洞。1970年兩人又合作了一篇論文，認(rèn)為大爆炸就是開始于一個(gè)奇點(diǎn)，這個(gè)奇點(diǎn)就是一個(gè)白洞，并且在宇宙大爆炸初期還會(huì)形成一些質(zhì)量很小的黑洞。1972 年至1973年提出PBH 的視界面積不減定理。1971年至1974年提出黑洞有輻射。PBH 成了Hawking 的標(biāo)志和事業(yè)[20-24]。但在2004 年至2014 年間他對(duì)這一切作了反思，令人驚異地宣稱：“根本不存在黑洞邊界，視界線與量子理論矛盾，黑洞是沒有的?！彼?014年1月22日貼出的文章中說：“黑洞理論是自己一生中的最大錯(cuò)誤(biggest blunder)”。這個(gè)態(tài)度是Hawking 晚年的大轉(zhuǎn)變，其劇烈程度遠(yuǎn)超P.Dirac 晚年的宣示。當(dāng)然，他嚴(yán)重冒犯了西方主流物理界，甚至引起了憎恨。2013 年英國BBC 曾拍攝一部關(guān)于黑洞研究歷史的記錄片[25]，這工作不僅未請(qǐng)Hawking 參與，而且其解說詞由頭至尾都未提到這位名人。Hawking 逝世于2018年3月14日；今天他如在世，Nobel委員會(huì)也不會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)他，因?yàn)樗古c主流決裂。

總之，奇點(diǎn)從一個(gè)數(shù)學(xué)概念變成了什么都有的物理實(shí)在：它可以產(chǎn)生宇宙；是時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)；具有無限大密度和吸引；造成奇怪的天體(黑洞)；提供取之不盡用之不竭的能量；……等等。越來越荒謬的情況迫使人們思考，根子究竟在何處？2020年11月28日，英國刊物《New Scientist》的一段話是這樣講的：

“我們對(duì)宇宙的理解出現(xiàn)嚴(yán)重問題。當(dāng)我們計(jì)算宇宙擴(kuò)張速率時(shí)，通過早期宇宙推算的結(jié)果與觀察附近星系恒星爆炸得出的結(jié)果并不相同。宇宙學(xué)家一直在為此尋找答案，但始終無功而返。這使得一些研究人員主張，邁出最后一步，根據(jù)修正后的引力觀從頭建立全新的標(biāo)準(zhǔn)模型。如果將量子學(xué)說引入Einstein時(shí)空理論，我們或許最終能解開萬物之謎”。

（著重點(diǎn)為筆者所加）。

這段話一方面承認(rèn)以GR為核心的宇宙學(xué)研究已走不下去了。我們看到，依靠GR 的日子似乎即將結(jié)束，西方物理學(xué)家在彷徨四顧尋找出路。另一方面又不愿放棄Einstein時(shí)空理論(當(dāng)然也不放棄奇點(diǎn)物理)；這是不會(huì)有結(jié)果的。所謂“全新的標(biāo)準(zhǔn)模型”是什么？真是言不由衷。

4 類星體研究中的黑洞假說

在筆者所謂的“奇點(diǎn)物理”中，由“原初大爆炸產(chǎn)生了宇宙”和“黑洞存在”其實(shí)都是推測(cè)性假說；前者是無法直接用觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)來證實(shí)（或證偽）的，后者卻不同。宇宙中究竟有沒有被命名為“黑洞”的這種天體，必須（也可以）由觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)來決定。這就是人們不斷地核查的意義。對(duì)PBH而言，“提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)”是其軟肋，一直乏善可陳?，F(xiàn)在我們特別關(guān)注所謂發(fā)現(xiàn)“銀河系中心的一個(gè)超大質(zhì)量致密物體”的事情；這個(gè)東西是黑洞嗎？但是我們先要討論類星體(qusar)。20 世紀(jì)六十年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種奇特的天體，從照片看來如恒星但肯定不是恒星，光譜似行星狀星云但又不是星云，發(fā)出的射電波如星系又不是星系，因此稱它為“類星體”。故類星體是一種在極其遙遠(yuǎn)距離外觀測(cè)到的高光度天體，80%以上的類星體是射電寧靜的。類星體比星系小很多，但是釋放的能量卻是星系的千倍以上，類星體的超常亮度使其光能在100 億光年以外的距離處被觀測(cè)到。總之，類星體離我們最遠(yuǎn)，能量卻最高。例如距地球可達(dá)接近130 億光年，亮度是太陽的幾百萬億倍。

但是，近年來天文學(xué)界有時(shí)會(huì)把類星體與黑洞混為一談。這在邏輯上說不通，因?yàn)楹诙词俏{一切物質(zhì)(包括光線)的天體，完全“黑”，不具有可視性。為什么要把它與最明亮的qusar聯(lián)系起來（甚至等同）？例如2015年5月曾有如下報(bào)道：“德國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了4個(gè)類星體齊聚的場景，這4個(gè)活躍的黑洞彼此距離非常接近”。這是讓人莫明其妙的說法，難道觀測(cè)到類星體就等于觀測(cè)到黑洞？

對(duì)于此問題倒是有一種解釋：類星體實(shí)際上是銀河系外能量巨大的遙遠(yuǎn)天體，其中心是猛烈吞噬周圍物質(zhì)的、在千萬太陽質(zhì)量以上的超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞雖然自身不發(fā)光，但由于其強(qiáng)大的引力，周圍物質(zhì)在快速落向黑洞的過程中以類似“摩擦生熱”的方式釋放出巨大的能量，使得類星體成為宇宙中最耀眼的天體。天文學(xué)家通過大型巡天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20 多萬顆類星體，然而其中距離超過127 億光年的類星體只有40個(gè)左右。

這種說法仍是把類星體與黑洞綁在一起，并且把中心黑洞作為類星體高能、強(qiáng)光的原因。這是一種解釋，但我們作為渺小的人類并不能確定在極為遙遠(yuǎn)的地方發(fā)生的過程就是如此。天文學(xué)家們作了大量研究，對(duì)此應(yīng)當(dāng)尊重；但矛盾的說法比比皆是，例如說“目前所知最遠(yuǎn)的類星體，約150億光年”，但Big Bang宇宙學(xué)一直說宇宙壽命約為137 億年，這兩種觀點(diǎn)有矛盾。又如美國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)某個(gè)類星體不再活躍，就說這是因?yàn)槠渲醒牒诙匆选盁o食物可吃”所造成；這些都是胡亂猜測(cè)。天文學(xué)界提出了太多的假說。又有人說類星體是大爆炸后最先形成的星系前身。以下列出的是眾多理論假說的一部分：

①黑洞假說：類星體的中心是一個(gè)巨大的黑洞，它不斷地吞噬周圍的物質(zhì)，并且輻射出能量。

②白洞假說：與黑洞一樣，白洞同樣是廣義相對(duì)論預(yù)言的一類天體。與黑洞不斷吞噬物質(zhì)相反，白洞源源不斷的輻射出能量和物質(zhì)。

③反物質(zhì)假說：認(rèn)為類星體的能量來源于宇宙中的正反物質(zhì)的湮滅。

④巨型脈沖星假說：認(rèn)為類星體是巨型的脈沖星，磁力線的扭結(jié)造成能量的噴發(fā)。

⑤近距離天體假說：認(rèn)為類星體并非處于遙遠(yuǎn)的宇宙邊緣，而是在銀河系邊緣高速向外運(yùn)動(dòng)的天體，其巨大的紅移是由和地球相對(duì)運(yùn)動(dòng)的Doppler效應(yīng)引起的。

⑥超新星連環(huán)爆炸假說：認(rèn)為在原初宇宙的恒星都是些大質(zhì)量的短壽類型，所以超新星現(xiàn)象很常見，而在星系核部的恒星密度極大，所以在極小的空間內(nèi)經(jīng)常性地有超新星爆炸。

⑦恒星碰撞爆炸說：認(rèn)為原初宇宙較小時(shí)期，星系核的密度極大，所以常發(fā)生恒星碰撞爆炸。

⑧活動(dòng)星系核說：越來越多的證據(jù)顯示，類星體實(shí)際是一類活動(dòng)星系核(AGN)。而普遍認(rèn)可的一種活動(dòng)星系核模型認(rèn)為，在星系的核心位置有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。在黑洞的強(qiáng)大引力作用下，附近的塵埃、氣體以及一部分恒星物質(zhì)圍繞在黑洞周圍，形成了一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的巨大的吸積盤。在吸積盤內(nèi)側(cè)靠近黑洞視界的地方，物質(zhì)掉入黑洞里，伴隨著巨大的能量輻射，形成了物質(zhì)噴流。而強(qiáng)大的磁場又約束著這些物質(zhì)噴流，使它們只能夠沿著磁軸的方向，通常是與吸積盤平面相垂直的方向高速噴出。如果這些噴流與觀測(cè)者成一定角度，就能觀測(cè)到類星體。

以上這些，可謂眾說紛紜；但無人知曉何者是事實(shí)（或者全都不是事實(shí)）。據(jù)說第⑧假說獲得較多認(rèn)可；但它仍然只是眾多猜測(cè)之一，我們無法確知事實(shí)是否如此。

5 銀河系中心有什么[24]

類星體在科學(xué)界引起的震驚是巨大的；有的類星體能釋放比1012個(gè)太陽還多的能量，它從何而來？天文學(xué)家熱衷于研究用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的神秘天體。英國劍橋大學(xué)的研究員D.Lynden-Bell 從理論上思考，認(rèn)為體積極小而質(zhì)量極大的天體，應(yīng)為尚未觀測(cè)到的一種東西：超大質(zhì)量黑洞?？赡苊總€(gè)大型星系都有超大質(zhì)量黑洞，它位于星系中央。這個(gè)預(yù)測(cè)雖大膽，但卻極端化，顯得很牽強(qiáng)。宇宙中每個(gè)大型星系中心都藏有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞？如果是，那么在銀河系數(shù)千恒星中央也會(huì)有一個(gè)。但人類甚至不知道地球是在銀河系的何處，又如何確定銀河系中央的位置？幸好在20 世紀(jì)初期，一位美國天文學(xué)家Harlow Shapley 率先在人馬座的方向上確定了銀河系的中心。后來在那里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)大的射電波源，并將那里標(biāo)記為人馬座A*。20 世紀(jì)60 年代末人們發(fā)現(xiàn)，人馬座A*不僅占據(jù)了銀河系的中心，并且銀河系軌道上的所有恒星都圍繞著它。

Shapley 的方法是利用一種叫做球狀星團(tuán)的天體。最終，確定銀河系中心離我們太陽系距離為2.7×104ly(ly 是光年)。但在銀河系中心恒星非常多，密度比太陽附近大數(shù)百倍；而且，從地球無法觀測(cè)銀河系中心，因?yàn)榫薮蟮男D(zhuǎn)氣體和塵埃云阻斷了可見光的傳播。這樣一來，人們無法驗(yàn)證“銀河系中心有大黑洞”的猜想。美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的Andrea Ghez 教授的團(tuán)隊(duì)，建造了一種新的天文望遠(yuǎn)鏡；使用了紅外技術(shù)，又盡量消除大氣扭曲效應(yīng)，使觀測(cè)銀河系中心成為可能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在那里有很多恒星運(yùn)行速度非?？?。這被認(rèn)為是“黑洞存在”的證據(jù)，認(rèn)為是黑洞使它們快速地運(yùn)動(dòng)。

筆者認(rèn)為這樣的判斷很勉強(qiáng)，因?yàn)槭且揽恳环N間接推理?？紤]到被研究區(qū)域距離非常遙遠(yuǎn)，而宇宙又如此復(fù)雜，不能說只有這樣一種可能。但黑洞科學(xué)家們（black hole scientists）說，只有黑洞才有如此強(qiáng)大的引力，迫使行星繞其旋轉(zhuǎn)。只要確實(shí)肯定恒星在繞著轉(zhuǎn)，這個(gè)東西必定是黑洞，其位置應(yīng)處在軌道的焦點(diǎn)。因此，他們認(rèn)為Lynden-Bell的預(yù)測(cè)已經(jīng)證實(shí)，“超大質(zhì)量黑洞確實(shí)存在于他預(yù)言的地方”(Here indeed,just where he had predicated,was a supermassive black hole)。這樣講法令習(xí)慣于嚴(yán)格證明的科學(xué)家（包括筆者）吃驚，天文學(xué)家們難道都是這樣做研究和輕率下結(jié)論的？我們不得不說，對(duì)于“銀河系中心有什么”的問題，恐怕至今并未解決。當(dāng)然，筆者無意貶低A.Ghez教授，以及另一位（德國Max Planck研究院的）R.Genzel教授，他們長期在銀河系中心恒星混雜的環(huán)境中觀測(cè)恒星。他們不斷開發(fā)和完善其技術(shù)，并配備了更加靈敏的數(shù)字光傳感器和更好的自適應(yīng)光學(xué)器件，使圖像分辨率提高。筆者認(rèn)為，這兩位科學(xué)家率領(lǐng)各自團(tuán)隊(duì)做了非常有價(jià)值的工作。但他們是否“發(fā)現(xiàn)了在銀河系中心的大黑洞”，仍是一個(gè)不確定的問題。據(jù)說，那個(gè)黑洞質(zhì)量約為4×106Ms(Ms是太陽質(zhì)量)，體積則約為我們太陽系的大小。結(jié)論很驚人，說服力卻不足。2020 年的Nobel 物理獎(jiǎng)的授予，對(duì)他們二人（各獲1/4獎(jiǎng)金）的評(píng)語，無論是“發(fā)現(xiàn)了銀河系中央的一個(gè)超大質(zhì)量致密天體”，或是“在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了超高質(zhì)量高密度物質(zhì)”，都不是“發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大黑洞”。這就保留了Nobel獎(jiǎng)傳統(tǒng)上的冷靜和客觀。

結(jié)論是，盡管黑洞科學(xué)家們認(rèn)為“在銀河系中心的某處應(yīng)有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞”(There should be a super massive black hole somewhere at the center of the Milky Way Galaxy)，但觀測(cè)和事實(shí)還不能提供可靠的證據(jù)，仍然是一個(gè)未證實(shí)的猜想(an unproven idea)。

然而他們后來又說，發(fā)現(xiàn)了一團(tuán)巨大氣體云以2000km/s的高速向認(rèn)為有黑洞的地方推進(jìn)，認(rèn)為這是黑洞引力造成的“投食”。但也有人說這是恒星運(yùn)動(dòng)。無論如何，摩擦生熱會(huì)造成高溫和強(qiáng)光，故又出來一種說法：“黑洞并不黑”?；剡^頭來，他們說每個(gè)類星體背后都有一個(gè)黑洞；又說銀河系中的黑洞可能“為人類誕生做出過貢獻(xiàn)”?？傊?，充滿了胡亂的猜測(cè)，PBH已不是科學(xué)了。

6 討論

本文的觀點(diǎn)是，具有無限大密度和無限大引力的奇異性黑洞（也叫GR黑洞）的理論出發(fā)點(diǎn)有問題。這種建筑在奇點(diǎn)物理沙灘上的東西缺乏堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，黑洞并不是一種真實(shí)的存在；由此派生出來的概念(如白洞、蟲洞以及“黑洞不黑”等）也就沒有意義。此外，在思考PBH問題時(shí)我們注意到一個(gè)歷史現(xiàn)象或悖論：相對(duì)論的提出者Einstein并不認(rèn)同黑洞。

近年來西方科學(xué)界有一個(gè)不好的作法：把Einstein未說過也不曾主張的某些理念強(qiáng)加到他的頭上。為了嚴(yán)肅和清晰，這里舉例說明1922 年Einstein 在《The Meaning of Relativity》書中所論述的一些觀點(diǎn)[26]；該書是他在美國Princeton大學(xué)演講的匯編，不僅他本人重視，而且也被研究人員認(rèn)為是最清楚地闡明了Einstein的思想。4次講演中GR是重點(diǎn)（講了兩次）；他首先講“等效原理”，解釋了慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量在數(shù)值上相等，并說這使GR大大優(yōu)越于經(jīng)典力學(xué)。然后他講4維時(shí)空連續(xù)統(tǒng)，說GR建基于Gauss的曲面理論與Riemann幾何，又說明了使用張量和張量微積分的必要性，詳細(xì)解釋這些數(shù)學(xué)工具，包括Riemann張量和測(cè)地線。然后他考慮質(zhì)點(diǎn)在引力和慣性作用下的運(yùn)動(dòng)方程，同時(shí)思考與Newton運(yùn)動(dòng)方程的關(guān)系。他說Newton理論中的Poisson方程（引力勢(shì)Φ的2階線性偏微分方程）：

在GR中也要用上，只是把物質(zhì)密度標(biāo)量（ρ）用單位體積的能量張量取代。經(jīng)過諸如此類的描述（而非推導(dǎo)），Einstein寫出他的引力場方程（EGFE）：

式中Tμυ是物質(zhì)源的能量動(dòng)量張量，gμυ是度規(guī)張量；κ是相對(duì)論引力常數(shù)，是與Newton引力常數(shù)G相關(guān)的系數(shù)。此后，Einstein說他的理論包含了Newton的理論；只是引力勢(shì)“有張量性質(zhì)”（對(duì)此他未詳談）。

在后面的演講中，Einstein逐步把理論與現(xiàn)實(shí)相聯(lián)系；這也是人們最感興趣的部分。先考察量桿和時(shí)鐘的行為，即從GR出發(fā)研究尺縮與時(shí)間延緩。首先他認(rèn)為空間不再是Euclid式的，而是彎曲的；其次，對(duì)時(shí)間而言，一個(gè)鐘附近有質(zhì)量物質(zhì)的質(zhì)量越大，則時(shí)鐘越慢。因此，太陽表面的光譜與地球上的光譜相比，前者紅移約2×10-6。他說這一結(jié)果雖與實(shí)驗(yàn)不符，未來將會(huì)證實(shí)。

然后，光傳播定律在廣義坐標(biāo)中可寫作ds2=0，由此得到的公式（編號(hào)107）表示光經(jīng)過質(zhì)量巨大物體附近時(shí)會(huì)偏折，例如對(duì)太陽而言引起的偏折角為1.7。

Einstein說，此結(jié)果已由英國的日食觀測(cè)隊(duì)在1919年所證實(shí)[27]。隨后，他論述了水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)問題，并說此問題已困惑天文學(xué)界百年之久。

在講了三個(gè)可以用觀測(cè)檢驗(yàn)GR的例子之后，Einstein轉(zhuǎn)向了宇宙學(xué)問題。從這部分內(nèi)容可以看出，他對(duì)1916年出現(xiàn)的對(duì)EGFE的Schwarzschild解[13]相當(dāng)重視，認(rèn)為它幫助了對(duì)水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的解釋。但是僅此而已，完全沒有與黑洞之類暗天體的聯(lián)系或敘述。Einstein對(duì)GR的介紹和論述，也很少提到奇點(diǎn)（singularities）。

在同一書中有2個(gè)附錄，頭一個(gè)是出第二版時(shí)補(bǔ)充的，其中提到Hubble發(fā)現(xiàn)星系在膨脹（譜線紅移隨距離增大而變大）；由此討論了帶宇宙學(xué)項(xiàng)的EGFE。Einstein說，當(dāng)場、物質(zhì)密度很高，場方程（EGFE）不再適用。但不應(yīng)認(rèn)為膨脹之初必定意味著數(shù)學(xué)上的奇點(diǎn)。盡管如此，他仍說“世界之初構(gòu)成了一個(gè)起點(diǎn)，其時(shí)恒星和星系都未出現(xiàn)”。這似乎表明Einstein對(duì)大爆炸宇宙學(xué)的認(rèn)可，不過他從未提到過發(fā)生大爆炸的可能。

筆者曾指出[28]，其實(shí)這個(gè)被視為圣經(jīng)的EGFE并非無懈可擊。GR認(rèn)為有引力場時(shí)這個(gè)space-time是彎曲的Riemann空間，其度規(guī)張量體現(xiàn)引力場的物理性質(zhì)。既如此，必須找出度規(guī)場的物理規(guī)律，即推廣的引力勢(shì)所滿足的微分方程。問題在于根本沒有實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)和規(guī)律可作遵循，這一致命弱點(diǎn)導(dǎo)致EGFE只是猜測(cè)性推理的產(chǎn)物。對(duì)此，在大學(xué)講授GR課程的教授也是承認(rèn)的[17]。又例如，Einstein所說的1919年英國日食觀測(cè)隊(duì)的報(bào)告書[26]，容易看出有許多漏洞；曹盛林教授指出，在日食時(shí)觀測(cè)太陽引力場導(dǎo)致的遠(yuǎn)處恒星光的偏折，其不確定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出公眾的想象。他認(rèn)為Eddington宣布的對(duì)GR的證實(shí)并不可靠[28]；在1919年，是科學(xué)界、公眾、媒體以及Eddington共同構(gòu)建了后來進(jìn)入教科書的神話··。實(shí)際上，后來的與GR計(jì)算值嚴(yán)重不符的論文、報(bào)告，幾乎都被忽略了。在1919年Einstein在一夜間成了世界名人，特別得力于《泰晤士報(bào)》的大力宣傳。

總之，Einstein的Princeton演講稿，以及第二版附錄（寫于1945年），第三版附錄（寫于1954年），均無一字提到黑洞（或暗星）；1939年Einstein[30]的論文也絕非對(duì)黑洞的支持，實(shí)際上是唱反調(diào)。值得注意的是，雖然1939年的OS論文[16]在研究PBH的科學(xué)家中備受推崇，但上述兩個(gè)附錄都無一語提及。這件事與本世紀(jì)（2004年至2014年）發(fā)生的另一件事（即Hawking認(rèn)錯(cuò)）聯(lián)系起來看，兩位重要人物對(duì)PBH的態(tài)度值得我們深思。

7 結(jié)束語

宇宙中某個(gè)（或某種）天體的有無必須由觀測(cè)決定，這是常識(shí)。以太陽系中的第8行星，即海王星（Neptune）的發(fā)現(xiàn)為例；1846年法國天文學(xué)家由計(jì)算預(yù)告其存在，并通知柏林天文臺(tái)。后者立即觀測(cè)，在與預(yù)報(bào)相差不到1°的地方找到了這個(gè)行星。所以，僅有推測(cè)和估計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，天文學(xué)要求的實(shí)證性非常突出。那么，對(duì)黑洞否有觀測(cè)證明？回答是到現(xiàn)在仍然沒有。因此，無論是2016年美國LIGO宣布發(fā)現(xiàn)了“兩個(gè)黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波[31-33]，或是2019年4月媒體報(bào)道說“拍到了位于M87星系中心的黑洞照片”[1]，其實(shí)都不是直接的“黑洞存在”的證明。特別是，奇異性黑洞（GR黑洞）在理論上的兩個(gè)特征要求（邊界上的無限大發(fā)散和內(nèi)部的時(shí)空反轉(zhuǎn)）在實(shí)際觀測(cè)對(duì)象中并不能證實(shí)。正如王令雋教授所指出的，如不能證實(shí)這兩點(diǎn)本質(zhì)性的特征，僅僅展示一張“黑圈圈照片”，并不足以說明那就是黑洞，更不能認(rèn)為驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。

2020年的Nobel物理獎(jiǎng)的授予，其引導(dǎo)和暗示的含意是明顯的——首先，黑洞不但存在，而且在我們銀河系中央就有一個(gè)，還是超大質(zhì)量的；其次，GR理論絕對(duì)正確，不容討論更不容反對(duì)。然而“黑洞存在”和“大爆炸產(chǎn)生宇宙”一樣都只是“奇點(diǎn)物理”的推論。R.Genzel和A.Ghez這兩位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，盡管率領(lǐng)各自的團(tuán)隊(duì)做了許多努力，不容隨意貶低；但無論他們自己或Nobel委員會(huì)，都不敢說“已在銀河系中心位置觀測(cè)到超大質(zhì)量黑洞”，這就是一個(gè)明顯的例子。觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)的結(jié)論必須經(jīng)得起考驗(yàn)，和理論上作論述時(shí)的相對(duì)自由完全不同。況且，如何解釋Einstein本人的保留態(tài)度（起碼是不認(rèn)同）和PBH大家Hawking的認(rèn)錯(cuò)？也是Nobel委員會(huì)難以回避的問題。

因此，筆者仍然堅(jiān)持“黑洞只是一種理論性推測(cè)，實(shí)際上可能不存在”的觀點(diǎn)。本文如有不妥之處，歡迎指出。

致謝：筆者感謝呂曉丹、王雨兩位女士的幫助。