往届回声｜最简单又最复杂的黑洞，是否藏着物理学终极理论？

编者按：第三届世界顶尖科学家论坛将于10月30日-11月1日在上海举行。包括61位诺贝尔奖得主在内，近140位诺贝尔奖、图灵奖、菲尔兹奖、沃尔夫奖、拉斯克奖等全球顶尖科学奖项得主出席。论坛期间将有130余场科学家独立演讲、70余场主题峰会，大部分活动将通过网络向公众直播。

在过往的两届世界顶尖科学家论坛上，宇宙是科学家绕不开的话题。科学殿堂的顶级奖项诺贝尔奖已经连续两年将物理学奖颁给了天体物理学领域。其中，黑洞在今年是首次获得诺奖的垂青。

澎湃新闻特此整理世界顶尖科学家论坛往届参与者关于黑洞的讨论。新科诺贝尔物理学奖得主安德烈亚·盖兹（Andrea Ghez）今年也将来到世界顶尖科学家论坛，带来有关银河系中心黑洞的研究分享。

今年的诺贝尔物理学奖颁给了“黑洞和银河系中最黑暗的秘密”。委员会主席大卫·哈维兰（David Haviland）表示：“今年获奖者们的发现为致密和超大质量天体的研究开辟了新天地。但是，这些奇异天体仍有许多待解之谜，激励未来研究。不仅有关于它们内部结构的问题，还有如何在黑洞附近的极端条件下检验我们的引力理论。”

提起黑洞，绝大多数人想到的第一个名字一定是霍金。但我们要从另一个并不十分知名的科学家讲起：卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）。

在第一次世界大战的东线炮火中，这位德国天文学家、国防军炮兵中尉用物理计算来缓冲面对俄国人的恐惧。他因为罹患严重的皮肤病，在1916年去世，年仅42岁。不过，在生命中的最后一年，史瓦西推算爱因斯坦的广义相对论，得到了一个令人费解的解：

在离致密天体或大质量天体的中心某一距离处，由于引力太大，逃逸速度等于光速，在此距离以内的任何物质都不能溢出，包括光本身。

后人将此距离称为史瓦西半径。我们现在不难看出，史瓦西解出的这个宛如中国古代神兽“饕餮”的奇点就是黑洞，而史瓦西半径就是黑洞的视界。

不过，黑洞（Black hole）这个朗朗上口的名称，还要等待美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）在1969年纽约的一次学术会议上抛出，随后才流传开来。

第二届世界顶尖科学家论坛期间，在上海电力学院举行的“黑洞与空天科技峰会”上，2004年诺贝尔物理学奖得主、量子色动力学的主要奠基人之一大卫·格罗斯（David Gross）用一句话来形容黑洞：“黑洞是时空的陷阱。”

黑洞不黑

我们接着来讲另一个大众不熟悉的名字，雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）。这位已故以色列物理学家是上面提到的黑洞命名者惠勒的学生。

1972年，贝肯斯坦在《物理学评论》发表了一篇名叫《黑洞和熵》的论文，一石激起千层浪。他提出，黑洞的熵就是它的表面积除以普朗克常数平方再乘以一个无量纲数。或者说，越大的黑洞熵越多，和表面积完全成正比。

由于信息和熵之间密不可分，这篇论文也给黑洞内所能包含的信息——乃至有限空间内所能包含的最大信息——规定了上限。后人称之为“贝肯斯坦上限”。

这篇论文激起的巨浪中就包括霍金的质疑。

要知道，有熵就有温度，有温度就有辐射，但黑洞是任何东西都无法逃逸的界面，怎么能向外辐射呢？

后来争论的结果，听说过“霍金辐射”这个专业术语的读者想必可以猜到了。两年后的1974年，霍金通过理论推导提出了黑洞辐射，即黑洞非但有温度，还会向外辐射微弱的光波。当成双成对的粒子——如电子和正电子，或一对光子——在强烈的引力场中产生时，其中一个粒子会坠入黑洞，另一个会逃离，从而产生这种辐射。

这篇论文的标题同样简洁有力：《黑洞不黑》。

贝肯斯坦因其开创性的贡献，将他自己的名字和霍金绑定在了一起。黑洞辐射有时也被称作“贝肯斯坦-霍金辐射”。

霍金错了吗？

黑洞不黑，这事还没完。

就像它的诞生来自于对广义相对论的推算，黑洞这种天体有时就像纯粹的思想实验，最简单却又最复杂，环环相扣，每一步的推算都会引发后续的麻烦。

贝肯斯坦-霍金辐射引发的麻烦是，黑洞辐射会将信息带出吗？如果辐射一直进行下去，速度越来越快，黑洞会自己蒸发殆尽，走向寿命的尽头，那它之前“吃”进去的信息也凭空消失了吗？

按照量子力学的叙述，信息既不能被完全复制，但也不会凭空丢失。“如果你把信息投入到黑洞当中，你的信息就完全丢失了，否则就必须改变量子力学的基本原理。”大卫·格罗斯解释道。

“贝肯斯坦和霍金关于黑洞行为模式的计算，和我们之前所做过的一些演算和预测似乎是不一致的，呈现了一种比较奇异的状态，这也是我们在过去的几十年试图解释的。”

霍金当年为此和自己的两个好朋友打了个赌。一个是2017年诺贝尔物理学奖得主、引力波探测功勋、《星际穿越》顾问基普·索恩（Kip Thorne），另一个则是加州理工教授、“量子霸权”提出者普雷斯吉尔（John Preskill）。

霍金认为黑洞的蒸发不同于常规的物理学过程，不会将信息带出黑洞。基普也站在了霍金这一边。

普雷斯吉尔则坚信在量子力学机制下，信息不会消失，而总是能以某种微妙的形式释放出来。就像两本不同的百科全书烧成了看上去一模一样的灰烬，也总能鉴别出细微的差别。

两边的赌注是，“赢家从输者那里拿到一本他想要的百科全书，从而自由获取他想要的信息。”这个赌约，最终以霍金拱手认输结束。

2004年，在都柏林举行的国际广义相对论和引力大会上，霍金当众作了一份关于信息不会被黑洞毁灭的报告，通过复杂的拓扑计算推翻了他近30年来的判断。他在随后的新闻发布会上叫来索恩和普雷斯吉尔，向普雷斯吉尔送上一本2688页、重达7公斤的棒球百科全书，里面记录了16000名职业棒球运动员的生涯。

普雷斯吉尔是个美国人，也是个棒球粉。棒球百科全书在英国可并不好找，以至于霍金一度想用板球百科全书敷衍过去，甚至开玩笑说要把百科全书烧成灰寄过去。

这位已故的英国物理学家以“打赌狂魔”闻名。早在1974年，当人类发现的第一个黑洞候选天体天鹅座X－1尚未得到确认时，霍金就抱着“风险对冲”的心态与索恩打赌，黑洞并不存在。

如果黑洞并不存在，索恩将给霍金订阅4年的英国讽刺杂志《Private Eye》；反之，霍金将给索恩订阅1年的美国成人杂志《阁楼》。

在1988年出版的《时间简史》中，霍金写道：“打赌的时候我们有80%的把握天鹅座X－1是个黑洞，现在有95%的把握，但这个赌还没分出胜负。”

1990年，在第二版的《时间简史》中，霍金承认输掉赌约：“尽管从打赌至今，天鹅座X－1的身份仍未盖棺定论，但其他一些黑洞观测证据使我愿赌服输。我把一年的《阁楼》杂志和妻子的愤怒送给索恩了。”

如今，神秘黑洞已经成为天文物理的“显学”，但霍金就黑洞信息悖论问题的愿赌服输，并未得到广泛的认可。

大卫·格罗斯（David Gross）在回答学生提问时说道：“我们很希望能够证明霍金是错的，希望证明黑洞并不违反量子力学基本的原理。换句话说，我们需要证明的就是在黑洞物理学理论当中，所谓的信息都应该被牢牢地被锁在黑洞里面。”

挑战时空认知

格罗斯和他的学生弗朗克·维尔泽克（Frank Wilczek）因为发现了夸克的“渐进自由”现象而获得诺奖。这是一种反直觉的神奇现象：核力在很短的距离里会减弱，让原子核中的夸克表现得像自由粒子，而当距离拉大后，束缚它们的吸引力反而变大。这也能帮助解释，为什么我们无法直接把原子核拆成夸克。

研究夸克这种极微小粒子的物理学家，为什么会和黑洞这种极庞大天体扯上关联？

原来，根据霍金等人严格证明的“黑洞无毛定律”：无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）唯一确定。

也就是说，仅用上述三个参数就可以清晰描绘出一个黑洞，没有复杂的“毛边”信息。惠勒因而戏称这个理论为“黑洞无毛定律”，不愧是命名大师。

令人惊讶的是，这样的话，黑洞就和一个简单的基本粒子很相似。至大至小，至重至轻，至繁至简，化而为一。

黑洞信息悖论，从根本上是描述宏观世界的广义相对论和描述微观世界的量子力学之间出现悖论。那换一个方向，真正的引力理论和量子理论，能否在黑洞这种奇妙天体上出现大统一？

要知道，现代物理的终极追求之一，就是大统一理论，也称作万物之理。理论上宇宙间仅存在四种相互作用力，引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。之前的科学家已经证明后三种力在本质上是同一种作用力的不同表现，只有引力迟迟未能归纳其中。

弦理论就是其中一个努力的方向。它认为世界的基本单位是二维的“能量弦”，弦在不同形态下表现为所有的基本粒子和四种相互作用力。

黑洞这种拥有极端引力场，而性质又简洁如基本粒子的天体，是否可能是引力和其他三种力衔接的桥梁？粒子物理学家在微观世界苦苦寻觅而屡屡碰壁，能否在黑洞附近找到答案？

“过去十几年一个非常有意思的现象，就是我们对于粒子物理的认知一再挑战我们对时间和空间的基本认知。”格罗斯说道。“我们要在量子的层面对时空进行重新认识。比如说，空间是不是可能超过三个维度呢？”

“在过去20年间，我们在理解开放弦和闭合弦之间的二象性上有很大的进展，我们在量子场论和弦理论的整合方面也有所突破，这种深刻的二象性理解毫无疑问会给我们带来更多的发现，也许能帮助回答像黑洞和宇宙起源这样非常深刻的问题。”他说道。

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