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第7章 太空中的洞黑洞（第3页）

默丁和韦伯斯特就他们的发现撰写了一篇500字的短文，打算投稿给《自然》杂志。但在申请投稿许可时，他们遭遇了意外的阻挠——皇家天文台台长理查德·伍利根本就不相信黑洞的存在，认为那只不过是某种“新时代”的魔术而已。“有次谈话中，他甚至直接质问我，为什么我确信天鹅座X-1中就是有‘黑匣子’。”默丁说。

伍利故意拖延论文发表，一定程度上是因为他是亚瑟·爱丁顿的学生，而爱丁顿并不相信黑洞的存在。除此之外，还有另一个原因，那就是直到最近，位于赫斯特蒙塞的皇家格林尼治天文台（RoyalGreeO）一直都是由皇家海军管理的。公众形象对海军来说极其重要，伍利担心，天文台写出这样的文章会招致人们的嘲讽和耻笑，影响海军的声誉。

但是，对于默丁和韦伯斯特来说，如果辛辛苦苦获得的观测结果不能发表，那就什么也不是。所有证据都表明，HDE226868在围绕着看不见且质量巨大的物体运行，可以想到的唯一符合条件的物体就是黑洞。最后，在天文台其他资深成员的协调下，伍利做出了让步，允许默丁和韦伯斯特的论文发表。

此刻，默丁面临着许多风险，令他紧张不已。没有人能保证其他人不会看出HDE226868是黑洞，并抢在他们之前发表论文。为了防止这种情况发生，默丁决定亲自把论文送到位于伦敦市中心的《自然》杂志办公室，并确保论文上面盖上了接收日期的章。然而，就在默丁开车去黑斯廷斯车站赶火车时，从车上的收音机里隐隐约约听到一则新闻，似乎是和恒星高能事件有关。他立刻臆想：“哦，完了，别人也发现了!已经有人捷足先登了!”

在伦敦的一整天，默丁都处于忧心忡忡、惴惴不安的状态。直到那天晚上，他返回黑斯廷斯车站时听到了那条新闻的再次播报。让他感到莫大宽慰的是，所谓的高能事件只不过是火星上发生的一场风暴而已，原来只是一场虚惊。

论文于1972年1月7日发表在《自然》杂志上。[137]默丁得到了终身职位，并且他们家也搬进了更大的房子。说起来，默丁是历史上第一个用黑洞支付房屋贷款的人。[138]

论文发表的那天，默丁和妻子莱斯利（Lesley）带着两个孩子来到黑斯廷斯的一家海滨咖啡馆吃宝彩圣代。当3岁和7岁的两个男孩将长勺子挖入冰激凌、水果和水果糖浆中时，不难猜测孩子们在想什么。“我知道，他们希望爸爸发现更多的黑洞。”默丁说。[139]

很难想象，黑洞发现者的世界与56年前在医院病**预测了黑洞存在的那位“魔术师”的世界，反差有多么巨大。

当默丁和韦伯斯特首次在天鹅座X-1中发现黑洞时，此类天体的理论研究已经从史瓦西的精确解转向了爱因斯坦的引力理论。[140]爱因斯坦从来不相信黑洞的存在，大多数仔细研究过这个精确解的人都同意爱因斯坦的观点，不会像史瓦西所说的那样——任何东西，就连光都不可能从中逃逸的天体——能够存在，这奇怪得简直无法用语言来描绘。他们推断，当一颗大质量恒星在其生命末期收缩时，一定会有某种未知的力量介入，阻止这种怪物的形成。这种力似乎可以由诞生于20世纪20年代的革命性理论来提供，该理论对原子及其组成进行了革命性的新描述。

量子理论指出，构成世界的基本要素原子、电子和光子等具有一种怪诞的“双重”性。[141]这些粒子既可以表现出粒子性，就像微小的台球；又可以表现出波动性，就像池塘里的涟漪。因为这样的量子波具有广延性，所以它们占据了大量的空间，多个量子波相关的粒子很难一起挤进很小的体积。或者，换一种说法，如果企图压缩量子波相关的粒子，就会遭到强烈的抵抗。

粒子越小，量子波反而越大，我们熟知的电子正是拥有最大量子波的最小粒子。当恒星物质被压缩进较小体积时，原子内部轨道上运行的电子就会抗拒压缩。人们一般认为，这种简并压力（degeneracypressure）就是阻止恒星坍缩成黑洞的力。但1930年，一名从印度乘船到英国学习物理的19岁学生苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyandrasekhar）发现，爱因斯坦的狭义相对论改变了一切。钱德拉塞卡想象：从粒子的角度出发，当一群电子被压缩后，运动速度会比压缩前要快得多，就像一群躁动的蜜蜂一样四处乱窜，因而抵抗会更强烈。但是，依据爱因斯坦的狭义相对论，没有任何物体的速度能超过光速，所以电子的运动速度和抵抗压缩的力量都是有限的。如果一颗濒死的恒星的质量达不到太阳的1。4倍，那么电子简并压力确实可以抵抗引力的压缩，从而形成高度致密的白矮星。然而，对于超过钱德拉塞卡极限（drasekharlimit）的恒星来说，情况就不同了。这种恒星的引力强大到足以克服电子的抵抗力，此时没有任何东西可以阻止其迅速坍缩成黑洞。

1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子，为黑洞的故事添加了更曲折的情节。中子和质子一起构成了原子的中心原子核，电子绕原子核旋转，就像行星绕太阳旋转一样。如果一颗恒星被压缩进足够小的体积，电子就会被挤压进质子里，从而形成致密的中子球。这种中子星的中子像电子一样，也有与之相关的量子波，并且能抵抗挤压。但是，像电子一样，中子运动的速度和抵抗压缩的力也是有限的。与电子相比，这种效应的计算更复杂，因为它涉及的强核力很难建模。但是，质量是太阳3倍的恒星，引力强大到能够战胜中子的抵抗力，因而也就没有什么能够阻止黑洞的形成了。黑洞的形成不可避免，黑洞给物理学带来的问题也就不可避免了。

之所以把黑洞看成怪物，主要是因为其内部包含一个奇点（singularity）。当恒星无法抵御引力坍缩而形成黑洞时，最终会被挤压成密度无穷大、体积无限小的点。这种奇点标志着空间和时间的崩塌——实际上是物理学本身的崩塌。

“黑洞是非常奇特的物体，”加州大学洛杉矶分校的安德里亚·格兹（AndreaGhez）说，“严格地讲，黑洞将大量的质量聚集在零体积的中心之内。所以，了解黑洞的中心是没有意义的，但对物理学家来说，这却是个重大的线索，说明现有的物理学还不够完备。”[142]

美国物理学家约翰·惠勒（JohnWheeler）更具诗意地说：“黑洞教导我们，空间可以像纸片一样被揉搓进无限小的点；时间可以像吹灭烛火那样被轻易熄灭；那些‘神圣’的、一成不变的物理学定律其实根本就不是那么回事。”[143]

难怪爱因斯坦拒不承认自己的引力理论预测了这种怪兽的存在，因为这里面还包含了自我毁灭的种子。要了解黑洞中心的时间和空间究竟是什么样的，就必须找到更深层次的、没有奇异性的引力理论。就像牛顿的引力理论是爱因斯坦理论的特例一样，爱因斯坦的引力理论被认为是这种更深层次理论的特例。

黑洞的奇点被视界包围着，这个假想的视界薄膜标志着下落的光和物质的不可逆转点，但这不仅是个无法抗拒的边界。1974年，英国物理学家斯蒂芬·霍金（StephenHawking）发现了黑洞视界的一些非凡之处。

想理解霍金的发现，就有必要先了解量子理论关于真空的描述。真空并非空无一物，而是充斥着能量。其中亚原子粒子及其反粒子按照海森堡不确定性原理（HeiseyPrinciple）不断成对出现。只要这些粒子相遇并很快相互毁灭或称湮灭，大自然就对这些粒子视而不见，根本不关心创造粒子的能量来自何方。这有点像十几岁的孩子偷偷开走父亲的车在外面过夜，只要在父亲发现之前把车开回车库就没问题一样。

霍金早前发现，当黑洞合并（merger）时，合并黑洞的视界面积总是大于前两个黑洞的面积之和。以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦（Jastein）推测，黑洞的表面积代表了黑洞的熵（entropy）。熵是关于热和运动的理论，也就是热力学中的一个属性，支撑着物理、化学和许多其他领域，并且熵总是在增加的。但熵只适用于热体，怎么与黑洞有关系呢？

霍金找到了为什么热力学适用于黑洞的答案：黑洞是热的。证据就是黑洞会发热，即发射霍金辐射。此发现的意义在于，在黑洞的视界上，三大物理学理论相遇了——爱因斯坦的引力理论、量子理论和热力学。这是统一这三大理论的道路上迈出的试探性的第一步，引力理论、量子理论和热力学的统一绝对是物理学的圣杯。

然而，霍金辐射引发了一个严重的问题，下面让我们来看看哪里出了问题。根据黑洞的特性，我们知道粒子不可能来自黑洞内部，因为没有任何东西可以逃脱视界内部的引力。那么，粒子就产生在视界之外。创造这些粒子的能量必定来自某处，或许就来自黑洞本身的引力能。伴随着霍金辐射，引力能不断减小，导致黑洞逐渐缩小。恒星大小的黑洞的霍金辐射极其微弱。但随着黑洞逐渐变小，辐射会变得越来越强烈。直到最后，黑洞在耀眼的闪光中发生爆炸。鉴于这种蒸发（evaporation）所需的时间比宇宙当前的年龄长得多，探究其蒸发似乎没什么意义，但并非没有意义。信息不能被摧毁是物理学的基石。要完整地描述最初坍缩形成黑洞的恒星，就需要记录构成它的大量亚原子粒子的类型和位置。但是，一旦黑洞蒸发了，就什么都没有了。所以，最终的问题是：信息去哪里了？

目前的推测是，黑洞的视界并不像爱因斯坦的引力理论所说的那样平滑、毫无特征，相反，其在微观尺度上表现得粗糙、不规则，正是这些斑块和凹凸不平储存了产生黑洞的恒星的信息。由于霍金辐射恰好发生在黑洞视界上的真空中，理所当然地受到了那层薄膜的微观起伏的影响。这些起伏对辐射进行调制，就像无线电台流行音乐节目的载波一样。通过这种方式，前恒星的信息被不可磨灭地烙印在霍金辐射上，并传送到了宇宙中。信息并未丢失，最珍贵的物理定律之一还完好无损。

自从默丁和韦伯斯特于1971年在天鹅座X-1上发现第一个黑洞以来，又发现了一些疑似黑洞，总数不到25个。其实，早在10年前的1963年，人们就发现了一种不同类型的黑洞。

起初，人们认为超大质量的黑洞只出现在活动星系中，在这些占不规则星系总数1%的星系中，类星体是最引人注目的。但是，在20世纪90年代，天文学家利用美国国家航空航天局在地球轨道上的哈勃太空望远镜（HubbleSpaceTelescope）发现，几乎每个星系的中心都潜伏着一个超大质量黑洞。银河系中心的那颗叫作人马座A*（SagittariusA*），个头儿比较小，质量只有太阳的430万倍。至于为什么每个星系中都有一个超大质量黑洞，仍然是宇宙学中最大的未解之谜之一。

尽管有观测证据表明黑洞的存在，但都是间接的证据。天文学家观察到，恒星或热气体在看不见的致密天体周围以极快的速度旋转，由此推断出黑洞的存在。但总有这样一种可能：它们不是黑洞，而是某种人们做梦也想不到的、由某种迄今未知的力支配着的超致密天体。

关于黑洞存在的决定性证据出现在2015年9月14日。引力波，即爱因斯坦在1916年预测的时空中的涟漪，首次在地球上被探测到了。关键在于，探测到的波形正是爱因斯坦引力理论预测的两个黑洞合并的波形。

毫无疑问，黑洞是存在的。与此同时，对太空中引力波的探索还在继续充实着人们对黑洞的认知。天文学家面临的问题是，银河系中恒星质量大小的（stellar-mass）黑洞都很小，而且是黑的；超大质量黑洞虽然很大，但远在宇宙深处，所以也显得很小。然而，有两个黑洞相对较大，也离我们相对较近。一个是人马座A*，在26000光年之外的银河系中心；另一个比人马座A*大1000倍左右，在附近的一个叫M87的星系中。

在过去的几年里，天文学家们一直试图用射电望远镜阵列获取这两个超大质量黑洞的事件视界（eventhorizon）的图像。这些由散布在全球各地、联合操作的射电望远镜构成的阵列，叫做事件视界望远镜（EventHorizonTelescope，EHT），收集各地的信号可以模拟一个天线口径相当于地球直径的巨型射电望远镜。而天线口径越大，接收的射电信号波长越短，展现出的天体的细节就越清晰，EHT就可接受波长仅1。3毫米的信号。最终，遍布全球各地的射电望远镜接收到的信号都汇聚到马萨诸塞州的海斯塔克天文台（HaystackObservatory），在那里通过计算机合成最终结果。

天体的坍缩就像恒星形成黑洞那样，都是极度无序的。霍金认为，所形成的与其说是视界，不如说是汹涌的时空湍流（extremespace–timeturbulence）的边界。信息可以通过这样的表观视界（apparenthorizon）泄露出去。霍金的推论颇具戏剧性：“如果黑洞的定义是光永远无法从其中逃出的话，视界的缺失意味着黑洞并不存在，”他写道，“然而，有些视边界会持续存在一段时间。”换句话说，黑洞并不是我们所想象的那样。

那么，黑洞周围的视界到底是所有人认为的不归点，还是像霍金所坚称的那样，是可以泄露信息的视边界呢？关键是要观察视界，看看它的行为是否像爱因斯坦预测的那样，或者干脆看看它是否存在。EHT研究小组的组长、麻省理工学院的谢普·多尔曼（ShepDoeleman）说：“黑洞边界的图像能够测试广义相对论。以前从未拍摄过那里的图像，获得这个图像将标志着我们对黑洞和引力的理解会出现转折点。”

现在，这一转折点已经到来。2019年4月10日，EHT研究小组公布了第一张黑洞的图片。[144]这张图像不是来自人马座A*，而是来自重达70亿倍太阳质量的M87（因为人马座A*比较小，在观测的过程中不断被环绕的物质所干扰，形成的图像较为模糊）。在强烈的射电波背光的映衬下，事件视界显示为暗色的“阴影”。这些射电波是物质旋转着通过吸积盘落向黑洞时被加热至白炽状态而发出的。

“黑洞是宇宙永久隐藏的一部分，”来自位于图森市（Tu）亚利桑那大学（theUyofArizo物理学家费娅尔·厄泽尔（FeryalOzel）说，“是一个我们的物理学，至少是目前的物理学还无法企及的地方。”她的荷兰同事奈梅亨市（Nijmegen）拉德布德大学（RadboudUy）的海诺·法尔克（HeinoFalcke）更生动地指出：“我们已经看到了时间和空间尽头的地狱之门。”

[1]或者，严格来讲，是质能。