“好賭之徒”霍金和他的四場(chǎng)賭局 | 賽先生天文
電影《星際穿越》中的黑洞圖
撰文 | 鄭曉晨（北京天文館）、毛淑德（清華大學(xué)）
責(zé)編 | 韓越揚(yáng)、呂浩然
1985年4月，霍金（S. Hawking）第一次到訪中國(guó)，受邀在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的水上講演廳做了兩場(chǎng)公眾報(bào)告。當(dāng)時(shí)，作者之一還是中科大的一名大一學(xué)生，有幸作為觀眾聆聽了他的報(bào)告。報(bào)告涵蓋了兩個(gè)方面，一個(gè)介紹黑洞形成的相關(guān)理論，一個(gè)解惑時(shí)間車輪為何滾滾向前。這兩場(chǎng)“萬人空巷”的報(bào)告給科大學(xué)生留下了極為深刻的印象，有些學(xué)生后來選擇將天文學(xué)作為自己奮斗終身的事業(yè)，霍金的這兩場(chǎng)報(bào)告正是重要的契機(jī)之一。
圖1: 霍金生前保留在辦公室的賭局憑證，照片來源于【1】
霍金，這位科學(xué)界的傳奇人物，除了眾多身殘志堅(jiān)的事跡外，亦是一個(gè)科學(xué)上的“賭徒”。熱衷于打賭的他，曾數(shù)次“豪”賭，雖說每次都慘遭“打臉”，卻又屢敗屢戰(zhàn)，樂在其中。至今，他的辦公室還保留著三個(gè)裝裱好的賭局憑證（見圖1）。有意思的是，這些賭局幾乎都直指黑洞探索的核心問題。本文旨在揭開這位舉世皆知的大科學(xué)家嚴(yán)肅面紗下的另一面，帶大家回顧高深莫測(cè)的黑洞科學(xué)背后那些有趣的舊聞，一窺那個(gè)牛人輩出的黃金時(shí)代。
賭局前菜：黑洞的誕生
1905年，在德國(guó)《物理學(xué)年鑒》第四期上刊登了一篇名為《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的文章，拉開了相對(duì)論時(shí)代的序幕。在這篇論文中，愛因斯坦提出了光速不變?cè)砗酮M義相對(duì)性原理，打破了絕對(duì)的時(shí)空觀，構(gòu)建了全新的時(shí)空綱領(lǐng)。十年后，愛因斯坦近一步認(rèn)識(shí)到了引力與時(shí)空關(guān)聯(lián)的本質(zhì)——時(shí)空決定物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)決定時(shí)空如何彎曲。其數(shù)學(xué)表達(dá)，即為愛因斯坦引力場(chǎng)方程【2】：
愛因斯坦引力場(chǎng)方程是一個(gè)非線性偏微分方程，數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)潔，物理思想精辟，徹底革新了時(shí)空認(rèn)知，唯一的缺點(diǎn)就是求解難度太大。
同年，德國(guó)天體物理學(xué)家史瓦西（K. Schwarzschild）頂著第一次世界大戰(zhàn)的炮火，求得了第一個(gè)解析解，這個(gè)解描述了一個(gè)靜態(tài)的球?qū)ΨQ天體所引發(fā)的時(shí)空彎曲情況。
根據(jù)這個(gè)解，任何物體都存在一個(gè)與其質(zhì)量相對(duì)應(yīng)的特殊邊界（2GM/C2，其中G是萬有引力常數(shù)，M為球天體質(zhì)量，c為光速），遠(yuǎn)離該邊界區(qū)域，時(shí)空近乎平坦，然而在此邊界區(qū)域附近，時(shí)空急劇彎曲，這個(gè)特殊邊界即為史瓦西半徑。在史瓦西半徑之內(nèi)，任何物質(zhì)都將被吸進(jìn)去，連光子都無法逃逸，這也是黑洞概念的雛形。
此后幾十年間，黑洞研究進(jìn)展緩慢。其實(shí)，重大的進(jìn)展還是有的，只是未被廣泛認(rèn)可。比如，在1935年的英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)的會(huì)議上，年輕的錢德拉塞卡（S. Chandrasekhar，1983年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）介紹了自己有關(guān)恒星穩(wěn)定性的研究，這項(xiàng)研究事關(guān)恒星演化的終極命運(yùn)，卻遭到了當(dāng)時(shí)的權(quán)威愛丁頓的公開嘲笑【3】。
當(dāng)恒星邁向衰亡燃料耗盡后，熱平衡難以為繼，如何構(gòu)建新的平衡？答案是電子。逐漸冷卻的恒星將在其自引力作用下坍縮，受到高度擠壓的電子由于泡利不相容原理相互排斥，從而平衡引力，阻止星體的進(jìn)一步塌縮。這樣一種依賴電子簡(jiǎn)并壓穩(wěn)定存在的天體，即為白矮星。
白矮星是當(dāng)時(shí)主流觀點(diǎn)蓋章認(rèn)定的恒星尸體。然而，錢德拉塞卡卻發(fā)現(xiàn)白矮星并非所有恒星的宿命，對(duì)于大質(zhì)量恒星來說，電子的簡(jiǎn)并壓將不足以抗衡其巨大的自引力，災(zāi)難性的坍縮無可避免，星體體積將進(jìn)一步收縮，密度將進(jìn)一步增大，黑洞概念已然呼之欲出。
1939年，同樣年輕的奧本海默（R. Oppenheimer）和他的合作者通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在廣義相對(duì)論的語境下，當(dāng)一顆致密星體的質(zhì)量超過3.2倍太陽質(zhì)量時(shí)，其自引力將無可匹敵，星體將坍縮到其史瓦西半徑以下，形成一個(gè)致密的奇點(diǎn)，即為黑洞【4】。
現(xiàn)在我們都知道了，恒星的歸宿與其誕生之初的體態(tài)息息相關(guān)，小質(zhì)量的恒星最終將冷卻成為一顆質(zhì)量不超過1.44倍太陽質(zhì)量的白矮星（錢德拉塞卡質(zhì)量極限），大質(zhì)量恒星演化的終極形態(tài)則可能是密度更大的中子星甚至黑洞。然而在當(dāng)年，無論是理論物理的權(quán)威愛因斯坦，還是天文學(xué)界的權(quán)威愛丁頓，都不贊同可觀測(cè)宇宙中存在這樣一種密度無限大的不可觀怪物——黑洞。
盛筵開啟：第一場(chǎng)賭局——黑洞的發(fā)現(xiàn)
20世紀(jì)60年代，黑洞的命運(yùn)迎來了重大轉(zhuǎn)機(jī)。首先，1963年新西蘭的數(shù)學(xué)家克爾（R. Kerr）再次精確求解愛因斯坦場(chǎng)方程，描繪了一種帶有自旋的黑洞。相比于靜態(tài)的史瓦西黑洞，克爾黑洞更接近于實(shí)際情況。一年后，美國(guó)天文學(xué)家賈科尼（R. Giacconi，2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）意外地探測(cè)到一個(gè)神秘的X射線源，這個(gè)X射線源靠近銀河系的中心，位于天鵝座方向，被命名為天鵝座X-1。
排除了超新星爆炸的可能，天鵝座X-1很有可能是一個(gè)雙星系統(tǒng)，由一個(gè)可見的藍(lán)超巨星和一顆不可見的恒星級(jí)黑洞組成。因?yàn)?，根?jù)賈科尼提出的雙星吸積模型：當(dāng)雙星系統(tǒng)中存在一個(gè)高度致密的中子星或黑洞時(shí)，它將強(qiáng)勢(shì)地掠奪其伴星的氣體，形成吸積盤。這一過程中，將有物質(zhì)源源不斷地掉落到中子星或黑洞上，巨大的無處安放的引力勢(shì)將部分通過高能X射線的形式輻射釋放（見圖2）。
圖2：天鵝座X-1，左圖為其位置圖，右圖為雙星吸積概念圖，圖片摘自Chandra X-ray Observatory
自此，天鵝座X-1成為人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞候選體【5】。黑洞終于走上臺(tái)前，備受矚目。大量雄心勃勃的物理學(xué)家、天文學(xué)家對(duì)其投入了高度的研究熱情，盛筵開啟。
圖3：第一場(chǎng)賭局——黑洞的發(fā)現(xiàn)。霍金和索恩就黑洞的存在于1974年12月10日簽下的賭博憑證，照片來源于加州理工學(xué)院。
1974年，已在黑洞研究領(lǐng)域頗有建樹的霍金，和美國(guó)理論物理學(xué)家索恩（K. Thorne，2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）打了個(gè)賭，賭天鵝座 X-1 雙星系統(tǒng)是否存在黑洞。然而讓人意外的是，霍金居然在賭局中否定了黑洞的存在（見圖3）。
十幾年后，在那本暢銷全球的《時(shí)間簡(jiǎn)史》中，霍金如此描述自己的這場(chǎng)賭局：“對(duì)我來說，這場(chǎng)賭局就是一份保單。我在黑洞方面做了很多工作，如果最終證實(shí)黑洞并不存在，那么我的工作將毫無意義，但起碼贏了賭局，聊以安慰，還可以免費(fèi)訂閱四年《私家偵探》（Private Eye，英國(guó)諷刺雜志）。當(dāng)時(shí)，我們認(rèn)為天鵝座X-1有80%的可能性是一個(gè)黑洞?，F(xiàn)在，這個(gè)可能性達(dá)到了95%，當(dāng)然，還沒到蓋棺定論的時(shí)候”。
隨后越來越多的觀測(cè)表明，天鵝座X-1中不可見伴星的質(zhì)量已然超過了奧本海默推斷的中子星質(zhì)量極限（2021年的最新精確測(cè)量結(jié)果表明其中的黑洞質(zhì)量甚至高達(dá)21倍太陽質(zhì)量），第一黑洞，實(shí)至名歸。
在再版的《時(shí)間簡(jiǎn)史》中，霍金大方承認(rèn)自己輸?shù)袅速€約，他很開心地支付了自己的賠款，為索恩訂購(gòu)了一年的《閣樓》（Penthouse，美國(guó)成人雜志），據(jù)說曾造成了索恩夫妻關(guān)系的短暫動(dòng)蕩。
第二場(chǎng)賭局：宇宙中的裸奇點(diǎn)
時(shí)間回溯到二十世紀(jì)六七十年代，霍金和英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家彭羅斯（R. Penrose，2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）共同證明了奇點(diǎn)定理【6】，簡(jiǎn)而言之世間黑洞皆有奇點(diǎn)。而所謂奇點(diǎn)，可以簡(jiǎn)單理解為密度和時(shí)空曲率發(fā)散至無窮大的黑洞中心點(diǎn)，在這一點(diǎn)上，時(shí)間停滯，現(xiàn)有物理定律失效。
由于在黑洞的史瓦西半徑之內(nèi)，沒有任何物質(zhì)信息能夠泄漏出去，包括光子，所以外界永遠(yuǎn)無法了解史瓦西半徑內(nèi)的任何細(xì)節(jié)。因此，史瓦西半徑也稱之為黑洞“視界”。
黑洞的奇點(diǎn)一定在視界內(nèi)被視界面包裹，這樣，信息跑不出黑洞，也就不會(huì)破壞時(shí)空的因果性。
20世紀(jì)70年代，霍金發(fā)現(xiàn)在量子理論的語境下，黑洞將不斷向視界外輻射光子以及少量帶質(zhì)量粒子，從而損失質(zhì)量。這個(gè)發(fā)現(xiàn)，即為黑洞蒸發(fā)。黑洞質(zhì)量越小，蒸發(fā)速度越快，直至消亡。那么，一個(gè)不斷蒸發(fā)的黑洞是否終將迎來一個(gè)裸露的奇點(diǎn)？這是個(gè)很可怕的可能性，因?yàn)橐粋€(gè)裸露的奇點(diǎn)將向周圍擴(kuò)散不確定信息，物理定律將廣泛失效，沒有任何一位期待利用物理定律預(yù)言未來的物理學(xué)家樂見這樣的結(jié)果。
比如，彭羅斯就憑直覺認(rèn)為不可能存在裸奇點(diǎn)。早在1969年，他就提出了宇宙監(jiān)督假說（cosmic censorship conjuecture）：宇宙中必然存在一位監(jiān)督者，禁止任何裸露奇點(diǎn)的存在。這位監(jiān)督者應(yīng)該是某條已知或未知的物理定律?；艚鹁褪怯钪姹O(jiān)督假說的堅(jiān)定支持者。
1991年，在免費(fèi)看完了一整年的《閣樓》后，磨刀霍霍的索恩再次拜訪霍金，得知霍金的理念后，他唱起了反調(diào)，支持裸奇點(diǎn)真實(shí)存在并可探測(cè)。這次打賭，他們還捎帶上了加州理工教授普雷斯吉爾（J. Preskill）（圖4）【7】。
圖4：第二場(chǎng)賭局：裸露的奇點(diǎn)。1991年9月24日，霍金一人單挑索恩和普雷斯吉爾，就黑洞的裸奇點(diǎn)存否問題下注，1997年2月5日霍金認(rèn)輸，照片來源于加州理工學(xué)院。
雙方約定，輸?shù)囊环匠诵枰U納相應(yīng)的賭金外，還要贈(zèng)送贏家蔽體的衣物，并印上愿賭服輸?shù)男畔ⅰ?br/>
然而，對(duì)于霍金來說，打擊接踵而至，一些諸如零質(zhì)量標(biāo)量場(chǎng)方面的研究工作相繼打臉宇宙監(jiān)督假設(shè)【8】。
1993年，英國(guó)物理學(xué)家喬普?qǐng)D克（M. Choptuk）利用數(shù)值模擬的方法證實(shí)了四維宇宙中裸奇點(diǎn)的形成，不過，裸奇點(diǎn)的形成初始條件相當(dāng)嚴(yán)苛，且不能存在絲毫偏差。
1997年2月5號(hào)，霍金不得不再次認(rèn)輸，愿賭服輸，他也確實(shí)為普雷斯基爾和索恩定制了衣服，但卻終究心有不甘，他在衣服上印制了一名穿著相當(dāng)清涼的女郎，唯一的遮羞布上挾帶私貨“自然厭惡裸奇點(diǎn)”（Nature abhors a naked singularity）。明明是勝利者的普雷斯吉爾，被逼穿著“戰(zhàn)利品”，站在加州理工學(xué)院的講臺(tái)上面向1000人授課，當(dāng)時(shí)的尷尬大概可以用腳趾頭扣出一個(gè)全新的加州理工。
即使認(rèn)輸了，霍金依然試圖為宇宙監(jiān)督假說背書，他發(fā)現(xiàn)所有反例無不依賴于極端的初始條件，與真實(shí)的動(dòng)力學(xué)演化大相徑庭，霍金堅(jiān)信現(xiàn)實(shí)宇宙中絕不會(huì)出現(xiàn)裸奇點(diǎn)這種奇葩。
第三場(chǎng)賭局：信息悖論
大概打賭真的會(huì)上癮，輸?shù)糍€局的第二天，裸奇點(diǎn)的教訓(xùn)還歷歷在目，霍金就迫不及待地和普雷斯吉爾、索恩簽訂下了第三個(gè)賭約——黑洞會(huì)銷毀信息么？
眾所周知，黑洞將吞噬其視界范圍內(nèi)的一切物質(zhì)，包括它們所攜帶的信息，可霍金描述的黑洞蒸發(fā)過程卻是由于測(cè)不準(zhǔn)原理造成的真空漲落隨機(jī)產(chǎn)生，并不攜帶任何原有信息。如果最終黑洞質(zhì)量蒸發(fā)殆盡，其曾經(jīng)吸納的信息又將何去何從？這便是所謂的黑洞信息悖論。
這一回，索恩和霍金統(tǒng)一了戰(zhàn)線，他們一致認(rèn)為：一旦物體被吸入黑洞后，它將徹底“消失”于可觀世界，此后，即便黑洞蒸發(fā)，也不會(huì)泄漏任何信息，也就是說黑洞銷毀了所有信息。但普雷斯吉爾卻堅(jiān)信信息守恒，被吞噬的信息必將通過某種機(jī)制重新釋放出來。這次的賭注是一本贏家夢(mèng)寐以求的百科全書。
在堅(jiān)持信息悖論近30年后，霍金自己改變了想法。2004年，在都柏林舉行的“第17界國(guó)際廣義相對(duì)論和萬有引力大會(huì)”上，霍金承認(rèn)自己有關(guān)信息問題的看法有誤，他重復(fù)了一些早期計(jì)算后發(fā)現(xiàn)信息并不會(huì)被黑洞銷毀。
為此，霍金費(fèi)了九牛二虎之力才兌現(xiàn)自己的賭約，贈(zèng)送了棒球鐵粉普雷斯吉爾一本長(zhǎng)達(dá)2688頁(yè)、重達(dá)7公斤的棒球百科全書（見圖5），里面記錄了16000名職業(yè)棒球運(yùn)動(dòng)員的生平。據(jù)說，要從如此厚重的書本中查詢信息，大概就和從黑洞中提取信息一樣困難。
圖5：霍金認(rèn)輸?shù)恼掌?，圖片來自【9】。
然而，霍金的新理論并未得到廣泛認(rèn)同，他甚至都沒能說服好友索恩。
第四場(chǎng)賭局：上帝粒子
2002年，屢賭屢輸?shù)幕艚鹈樯狭讼８袼沽Ｗ?，這次和他打賭的是美國(guó)粒子物理學(xué)家凱恩（G. Kane）。
希格斯粒子（Higgs）由英國(guó)粒子物理學(xué)家希格斯（P. Higgs）等提出【10】，在量子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，賦予基本粒子以質(zhì)量。當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為希格斯粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一塊缺失的拼圖，也常被稱之為上帝粒子。
霍金公開宣稱自己不相信上帝粒子的存在，這一度引發(fā)了希格斯的強(qiáng)烈不滿，他抨擊霍金作為科學(xué)名人卻濫用公信力。這場(chǎng)口水仗在十年后方見分曉。
2012年，歐洲核子中心（CERN）宣布，通過大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）證實(shí)了希格斯粒子的存在，希格斯也因此獲得2013年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。又雙叒輸了的霍金，爽快地支付了希格斯和凱恩每人100美元的賭債。
至此，四場(chǎng)有憑有證的賭局，霍金悉數(shù)落敗。實(shí)際上，2002年，霍金還曾與物理學(xué)家圖羅克（N. Turok）就原初引力波和循環(huán)宇宙問題打賭，并于2014年宣稱自己贏得了賭局，不過，圖羅克卻至今不肯認(rèn)輸，因?yàn)榛艚鹚^的觀測(cè)證據(jù)后來證實(shí)不過是一個(gè)烏龍球罷了【11】。
賭局難再，蘭亭已矣
2018年3月14日，“好賭之徒”霍金與世長(zhǎng)辭，賭局難在，蘭亭已矣。如今，長(zhǎng)眠在泰晤士河北岸的霍金，與牛頓、達(dá)爾文、盧瑟福等前輩毗鄰而居，不知這些青史留名的大科學(xué)家，是否也將在另一個(gè)時(shí)空為某個(gè)科學(xué)議題爭(zhēng)論不休，打賭下注？
題外話：
在霍金生前的最后一本科普書brief answers to the big questions中，他留下如下寄語：
“不可只著眼于腳下而忘卻星空之浩渺。眼所見，心乃至，觀宇宙之磅礴，思宇宙之起源。
時(shí)刻保持一顆好奇之心。
縱使世事艱辛，還是要有所追求，只要不輕言放棄，定會(huì)有所成就。
最后，大膽想像，勇塑未來！”
原文如下：
So remember to look up at the stars and not down at your feet.
Try to make sense of what you see and wonder about what makes the universe exist.
Be curious.
And however difficult life may seem, there is always something you can do and succeed at. It matters that you don’t just give up.
Unleash your imagination. Shape the future.”
贈(zèng)書福利：評(píng)論區(qū)留下你對(duì)霍金的任何文字，點(diǎn)贊前五的讀者將獲得brief answers to the big questions的中文譯本，由湖南科學(xué)技術(shù)出版社出版的《霍金：十問沉思錄》一書！
參考文獻(xiàn)： （滑動(dòng)可查看更多）
制版編輯 | Morgan
