霍金和黑洞同尷尬

方玄昌　張　雙

已經被觀察到的黑洞，卻找不到合適的理論來吻合它；有完美理論來描述它的黑洞，卻至今沒有被肯定地找到——霍金的諸多理論，似乎也永遠無法通過實驗觀察來加以驗證

英國科學家霍爾丹曾說：“宇宙不僅僅是想象起來很神奇，而是比我們能夠想象的還要神奇。”而黑洞可能又是神奇的宇宙中最為神秘的一種天體。

無論用何種方法，我們都無法直接觀測、了解黑洞，或許也永遠無法了解它的內部狀況。

霍金在研究并向世人闡釋黑洞。然而，霍金的思想、思維如同黑洞一樣，讓人難以捉摸——他用的是一種純數學、純理論的方法做研究，科學家很難用實驗去觀測和驗證這些理論。

這就是有人認為他是愛因斯坦之后最偉大的理論物理學家、但另有人卻認為他即使在劍橋大學自己所在的院系都不是最優秀的科學家的原因所在。

謎一樣的黑洞

中國原國家天文臺研究員李競(現已退休)說，人類和天文學家對于黑洞的了解非常不夠，甚至至今沒有給它一個確切的科學名字，它的名字black hole(黑洞)，這是一個口語詞匯，根本算不上科學術語。

但對于黑洞，早在拉普拉斯(1749-1827，法國著名數學家和天文學家)時代就有理論。拉普拉斯根據經典的牛頓力學預言，只要天體的空間足夠小，引力足夠大，光線和其它一切物質就不能從中逃逸。

天文學家在上世紀60年代，花了很大的工夫，演算出了非常好、甚至可以說是完美的一套黑洞理論：當一個原始天體燃盡它所有的燃料后將發生坍縮，這就是超級星爆發。爆發時它將損失相當多的能量和質量，但只要最后剩下的質量超過3.2個太陽質量(稍微小一點就變成中子星，再小就成了白矮星)，它最后的引力坍縮就是收不住的，在1秒的時間內，它會變成比地球鐵核還小的超高密度天體。這就形成了黑洞。這樣形成的天體被稱為恒星質量黑洞，也就是大家平時所說并在科幻小說、科幻電影里出現的黑洞。

由于引力太大，連光都不能從它表面逃逸，黑洞不能被人類直接觀測到。但隨著理論物理和探測手段的進展，人們可以借助觀測和看不見的天體相伴的另一個天體的運轉情況(兩個天體相互運轉組成雙天體)，從而得出其質量。

然而，到今天為止，恒星世界中那些看不見的天體沒有一個被100%地證明就是黑洞。

1994年，天文學家在星系中心發現了超大質量黑洞，并算出它體積很小，質量卻極大。“由于幾個不同的天文學家小組，從低級望遠鏡到哈勃空間望遠鏡，都探測到了，宇宙中有這樣超大質量的黑洞就成了板上釘釘的事情。”李競說。

恒星質量黑洞雖有經典理論，在觀察驗證上卻沒到蓋棺定論的地步；星系中的超大質量黑洞被觀察確證，但它是怎么來的，沒有一個完整的理論解釋。二者正是現在科學家努力的方向。

“不可驗證”的霍金

恒星質量黑洞理論跟霍金毫無關系。霍金提出了另外一個黑洞學說，他認為宇宙中有無處不在的微型(Mini)黑洞，黃豆大小，與木星差不多的質量，宇宙起源的時候，這種東西無處不在。

對于Mini黑洞，霍金賦予了其漂亮的理論。但天文學家少有顧及，因為它完全無法觀察研究，霍金也沒有提出如何去驗證的方法，而科學家對一種理論最關心的是它能否被驗證——這也是霍金迄今與諾貝爾獎無緣的主要原因。

不可驗證的黑洞理論之外，霍金還提出了他的宇宙模型，給出了11維空間，認為要描述宇宙，X、Y、Z和T(時間)4個未知數是不夠的，要加到11個未知數之后，才能夠解釋宇宙的很多結構。

這些“維”同樣是天文學家無法探測的。

李競介紹，在宇宙起源學說領域，現在最熱門的是宇宙極早期時候的研究，包括那時控制宇宙、左右宇宙的物質規律是什么等等，而霍金探討的問題甚至比這個更超前。

“有了早期宇宙的成熟模型以后，才能談到霍金所提到的宇宙大爆炸之前的問題。現在連0秒之后的瞬間都還摸不清，怎么能談更以前的？”國家天文臺專家趙復垣曾經翻譯《霍金的宇宙》，他也表示，雖然他翻譯了全書，但對里面的理論還是不懂——實際上，許多研究廣義相對論的專家都表示看不懂。

但李競和中科院理論物理研究所教授蔡榮根都認為，霍金用純數學方法做物理學的模型研究，這種“理論在先”的研究方法本身無可厚非。比如激光，就是先有了理論，然后用實驗制造出來。愛因斯坦的理論當中也有很多預言，是后來被人類驗證的。

“預言被觀測證實，這樣的理論就被證明是真正的好理論。問題是霍金的理論現在還沒有給出明晰的、可以讓人去尋找的東西。”李競說。-

黑洞不“黑”

人們原先認為，所有的物質和能量經過黑洞時都會永遠消失。然而在1974年，霍金在結合量子力學和相對論的理論后，指出黑洞并非全黑——黑洞能夠輻射，這就是著名的霍金輻射。黑洞在輻射過程中，將能量輻射出去，這意味著黑洞將逐漸縮小，最后在爆炸中結束生命。

同時，天文學家又發現，一個黑洞吸引其他恒星的物質，不是一下子就吸引過去，而是在看不見的周圍形成一個會轉的物質盤(叫做吸積盤)。另外一個恒星的物質是先打到這個盤上去，盤上的物質才像螺旋一樣進入黑洞，這些都已經得到確切的觀察。

所以說黑洞完全看不見至少不全對，但信息的確很難出來。

現在霍金認為，信息進入了黑洞后還是能出來的。只是物質被吸進去以后，黑洞把信息都打散了，不再是原來的樣子，面目全非。

目前很多科學家都在研究被黑洞重組之后出來信息以何種方式釋放。霍金在演講中沒有交待清楚，只給出了難懂的數學模型。現在全世界都在期待霍金未來的論文能有所描述。