幾年前的“霍金認錯”有道理嗎？
——對所謂“黑洞照片”的一點看法

黃志洵

(中國傳媒大學信息工程學院，北京100024)

2019年4月10日的電訊說，一個國際團隊在全球6個地點同時召開記者會，宣布獲得了首張黑洞照片(其實是黑洞輪廓)。由此又說廣義相對論得到印證，而且這是諾貝爾級成果。這次的宣傳攻勢很大，可能目標是今年的諾貝爾物理獎。據媒體的說法，首次向人類展示自己真容的黑洞位于室女座超巨橢圓星系M87(Messier 87)中心，距離地球大約5500萬光年。從照片上看這是一個中心為黑色的明亮環狀結構，黑色部分是黑洞投下的“陰影”(shadow)，明亮部分是繞黑洞高速旋轉的吸積盤(accretion disk)。媒體的報道又說，黑洞并不是一個empty space(空蕩蕩的空間)，而是a great amount of matter packed into a very small area(大量物質堆積在一個極小的區域)，所以是supermassive(超大質量)的。這次觀測到的黑洞質量是太陽的65億倍。

據說，拍照的工具是“Event Horizon Telescope”(“事件視界望遠鏡”，簡稱EHT)。那么什么是event horizon？在黑洞周圍，光線不能逃脫的臨界范圍被稱為黑洞的半徑或事件視界。事件視界實際是指event(事件)被觀測到的界限。目前，超越事件視界的景象，也就是黑洞內部，是無法被觀測到的。

許多文章都說黑洞是大師Albert Einstein的預期。沒有一份材料提到過，Einstein其實并不認同黑洞存在。此外，也無人提及曾經的科學泰斗Stephan Hawking，這位以研究黑洞成名的劍橋大學教授最終對黑洞持否定態度。……這篇短文是在又一個宣傳造勢高潮中談點看法，供大家參考。

1 從經典黑洞到廣義相對論(GR)黑洞

1783年，英國人John Michell向英國皇家學會報告了一個科學預言：宇宙中可能存在“暗星”。按照Newton的萬有引力定律，可以計算出物質粒子從某個星體逃離時所必須的最小速度。例如對地球而言，逃逸速度為11km/s。他推論，宇宙中可能存在一種black star(或dark star)，其特點是光微粒(當時尚無光子概念)均被該天體的引力拉回，故地球人看不到它們。13年后，法國數學家Pierre Simon Laplace提出了類似的設想。……這是今天的黑洞(black holes)概念的早期形式。但這并不是現在所說的東西。

今天所謂黑洞始于德國人Karl Schwarzschild(以下稱史瓦西)，他看到1915年Einstein發表于《普魯士科學院會議報告》上的廣義相對論(GR)，并立即對其引力場方程(EGFE)在簡單情況下的求解做出了貢獻。他假定：①星體為球狀；②星體無旋轉；③星體具有均勻質量；④引力場是靜止的。所以，雖然我們說EGFE非常復雜實際上無法求解，但是史瓦西卻搞出了一個近似的(簡化條件下的)解析解。史瓦西解寫作

式中r是致密星體半徑，M是質量，G是萬有引力常數，θ、φ為球坐標相應的角度，t是時間。故度規張量元素為

等等；取下式代表一個球面：

r=rs=2GM

在該球面上g00=0，g11=∞，等等；rs叫史瓦西半徑。現在rs是解的奇點，在這個半徑以內的物體，即使速度等于光速也沒有足夠的能量克服引力而飛出，即使光子也不能飛出這個區域，所以這個區域叫“黑洞”。在黑洞邊界，時空度規無限大發散；此即黑洞的奇點問題。另一問題是，當r

總之，r

值得注意的是，GR的發明人Einstein并不認為黑洞存在。他在1939年的論文中論述了他的想法，表示在物理實在中不會有史瓦西奇點。但現在的主流物理界不承認他的意見，認為那更多的是來自一種直覺。……王令雋教授則認為，Einstein持這種態度是因為黑洞邊界上的無限大發散(以及黑洞內的時空反轉)都是悖論，承認黑洞存在就會毀掉整個GR理論。

2 霍金(S.Hawking)：著名黑洞物理學家在晚年否定黑洞存在

20世紀70年代，身殘志不殘的著名物理學家Stephan.Hawking出場了。1972年至1973年他提出了關于黑洞過程不可逆性的黑洞動力學第二定律，也叫視界面積不減定理。1974年他提出黑洞有輻射，這是因為量子理論決定了黑洞表面真空漲落造成虛粒子對，負能虛粒子經由隧道效應而進入黑洞，正能粒子穿過外引力而輻射出來。因此，遠處的觀察者有可能觀察到黑洞?！璈awking radiation理論使他成為一位明星或權威，也推動黑洞研究進入高潮。這樣，研究人員越來越多，似乎產業化了。這些追隨者沒想到，Hawking在晚年自己把這一切推翻，宣稱黑洞并不存在。但黑洞物理學家們并不認賬。黑洞怎能就沒有了？一定要證明它存在。

2004年Hawking公開承認自己在30年前犯了錯誤。2014年，他先在與《Nature》雜志人員的訪談中說，雖然經典理論認為物質無法從黑洞中脫逃，但在量子理論中卻允許能量和信息從黑洞中出來。當年1月22日，Hawking在arXiv預印本網站貼出文章說，根本不存在黑洞邊界(event horizon)，視界線與量子理論矛盾，黑洞是沒有的。黑洞理論是自己一生中的最大錯誤(biggest blunder)?！捎贖awking是黑洞物理學的領軍人物，他的認錯引發了軒然大波。由于考慮自己的個人利益，也由于在量子力學(QM)與相對論的矛盾中Hawking公然站到了QM一邊，Hawking的追隨者們憤怒地起來責怪他。例如美國UC-Berkeley的R.Bousso說：“Hawking的認錯令人憎恨”。

今天，宣布“拍到黑洞照片”的人們，自然避免提到Hawking。既然Hawking早已去世，死人是不會站出來辯論的；只要從正面對成果做宣傳即可。

3 對EHT黑洞照片的評論

可以說，沒有人否認這個國際團隊拍出了一張宇宙中某個天體的照片。問題在于這是什么照片？是否某種黑暗天體，怎么證明它就是黑洞？而且，怎么證明它不是經典黑洞，而是GR黑洞？……帶著這些問題，筆者征詢了兩位物理學家(王令雋教授、梅曉春研究員)的意見。他們都有許多物理學論文、書籍行世，在國際上也有一定影響。王令雋先生回答說：

“我們怎么正確地認識這張公布了的EHT黑洞照片？其實很簡單，這就是一張天體照片，和廣義相對論毫無關系，也根本不能作為證實廣義相對論的直接證據。要和廣義相對論扯上關系，必須證明這張照片上的東西具有相對論黑洞的兩個本質特征：①在所認定的所謂“黑洞”邊界(Event Horizon)上時空度規無限大發散；②在這個邊界以內時間與空間反轉。如果不能證明這兩點，那就根本不能說這張照片就是廣義相對論黑洞。這張照片是地球上8個射電天文臺的亞毫米波觀測數據由電腦合成的照片，信號不在可見光頻段，所以所有的彩色都不是直接觀測的，而是根據數學模型模擬計算出來的。但是，這不是我要說的根本問題，我無意挑戰EHT團隊的敬業精神和學術誠實，也無意質疑這張照片的真實性。我也不排除宇宙間有非常大的黑色星云或者黑色星體存在的可能性。但是，這些和廣義相對論黑洞毫無關系，除非你能證明你所觀察到的天體具有邊界上的無窮大發散和內部的時空反轉。

黑洞巨星和權威霍金晚年否定黑洞的存在，認為黑洞研究是他一生鑄成的大錯。但也不能阻擋后人繼續進行黑洞的研究項目，因為黑洞研究已然成為了一個國際性的產業。任何一個產業都有自我肯定和力求生存的本能。所以，黑洞研究和大爆炸理論研究還會在學術界存在相當長的時期?！?/p>

在電子郵件中，王教授強調說：“黑色天體不一定是廣義相對論意義上的黑洞。廣義相對論意義上的黑洞必須符合兩個本質特性：①在黑洞的邊界上引力無窮大：②在黑洞里面時間和空間反轉，時間變成空間，空間變成時間。如果不能證實這兩點本質特性，僅僅展示一張黑圈圈圖片，不足以說明那就是黑洞，就認為驗證了廣義相對論。”

因此，他否認黑洞存在，指的是宇宙中不存在符合GR定義的黑洞。但這里有一個問題：既然EHT實驗團隊有理論團隊為實驗提供理論準備，難道他們沒有證明所觀察的天體具有廣義相對論黑洞的本質特性？王先生認為絕對沒有；因為實際上沒有任何人能證明一個邊界上度規無窮大發散而邊界內時空反轉的天體的存在。

梅曉春先生的見解與王教授類似；他說，Newton理論中就有黑洞的存在(半徑與廣義相對論黑洞一樣)，沒有視界。因此，即使有黑洞，也只能是Newton黑洞，不可能是Einstein黑洞。后者是奇異性黑洞，有一個視界。物質全部壓縮成奇點，視界是一個球面，視界內是真空，什么都沒有。這樣的怪物是不可能存在的。這個照片沒有證明是Einstein黑洞，看不到視界的存在?？傊?，目前公布的黑洞照片，是一個數據合成的東西，電腦上搞出來的想象物，根本不是人的眼睛看到樣子。這個黑洞相片的圓圈周圍有大量的光芒，憑什么正面就沒有光？這是不可能的，黑洞只能躲在球面的光亮中，不可能對地球網開一面?！?/p>

總之，兩位專家都對“黑洞照片”持否定態度，認為歷史今后會有不同的評價。

4 在兩個層面上的思考

本文提出的問題涉及兩個層面：純學術的方面和西方科學界的社會狀態問題。先看前者；我們知道，Einstein引力場方程(EGFE)具有非常復雜的特性，實際上不可求解。百年前史瓦西找到了一個最簡單的邊界條件下的解，也就是球對稱質量的靜止引力場。打那以后，理論并無真正的進展。其次，盡管現在的國際團隊不提及Hawking，但他的作用和影響仍然存在。物理學家霍金職業生涯早期對物理學作出的最大貢獻是提出“霍金輻射”概念，即認為黑洞實際上并不黑，而是會隨時間推移散發出少量輻射。這一結果極為重要，因為它表明黑洞一旦停止“生長”，將會因能量損失而開始非常緩慢地收縮。然而在當前，事件視界望遠鏡項目并沒有對這一理論予以證實或否認。至于Hawking在晚年否定黑洞存在，國際團隊既不愿、也不會提及。情況給人的印象是，EHT研究的理論支撐還很不夠。

不僅如此，筆者認為“霍金認錯”實際上暴露出相對論與量子理論之間的巨大矛盾。據報道，已有美國天體物理學家提出這個問題——廣義相對論與量子力學如何契合？量子引力仍是物理學中最重要的未解之謎之一。專家指出，這張照片一點也不令人驚訝，因為它沒有提供可能彌合這兩個領域之間鴻溝的新物理學解釋。

現在考慮社會層面的問題。應當指出，科學界并非一池清水，科學家也不都是謙謙君子。筆者早就注意到，近年來西方科學界(特別在理論物理界)亂象頻生。在“黑洞是否真的存在”懸而未決時，美國LIGO竟于2016年宣布，他們在2015年“觀測到兩個黑洞碰撞(合并)造成的引力波”。這種缺乏實證的說法竟然在2017年獲頒Nobel物理獎，讓人驚訝但又不奇怪。

EHT作為一個國際合作項目，如從建立各射電天文臺的時間算起，也是幾十年的努力了。這么大的陣仗，僅憑霍金一句話，不可能就停下來。發表一張宣稱是黑洞的照片，對于被大爆炸宇宙學控制而處境日益困難的天體物理學界，無疑是一劑強心針。媒體熱炒，是非常自然的。不少人估計這一工作會贏得諾貝爾獎，也是完全可能的。此前有LIGO引力波實驗贏得了諾貝爾獎，也有LHC的上帝粒子探測實驗獲得了諾貝爾獎，都是先例。像這種大規模的國際合作項目，無論人力物力都是其他科研項目無法比的。對其肯定與否，直接影響到社會對此類超大型科研(Big Science)的進一步支持。……這是西方科學界目前的情況，不像潔身自好的科學家想的那么簡單。

必須承認西方科學界既往的輝煌，計量學中的國際單位制(SI)中的幾十個參數和單位，都以西方科學家的姓氏命名。但現在的情況不同，搞科學已是動用大資金的大工程，必須有政府、企業家及公眾的支持。大筆經費已經花掉了，不出成果就無法交代。如果失去支持，許多科學家、工程師和技術工人甚至會失業?！沁@些情況造成了筆者所謂的“西方科學界亂象”和“變了味的諾獎”，也是我們反對繼續緊跟西方的一個重要原因。

5 結束語

從本文內容可知，黑洞概念來自數學分析?？茖W研究當然離不開數學，但數學不能代替物理實在。究竟宇宙中有沒有黑洞，權威人物(如Einstein、Hawking)仍然心中存疑；這個問題尚未完全解決。

EHT團隊可能說，照片就是黑洞存在的鐵證。然而對此筆者尚不能認同——首先，你必須證明這不是某種黑色天體；其次，你必須證明它不是經典黑洞(即暗星)，而是GR黑洞(滿足兩個理論要求)；再次，你必須證明Hawking晚年否定黑洞的理由是錯的?！绻@些證據都還沒有，那么我們只能說“這是一張天體照片”。這不是貶低EHT團隊的工作，而是自然科學的邏輯性規則和實證性原則促使我們提出的嚴格要求。

回過頭來看GR理論，雖然從提出至今已有104年，而且早就寫入大學教科書；但至今仍然在討論其正確性，質疑之聲時有所聞。英國天文學家A.Eddington(1882-1944)領導了1919年的著名實驗，利用日蝕的機會觀測了經過太陽的光線彎曲，便宣告GR理論已被證實，英國《泰晤士報》就在頭版報道，成為轟動世界的新聞。其實日冕像地球大氣一樣會使光線折射彎曲，如此簡單的道理竟被人們忽視了。有一位德國教授Ditrisch對1919年實驗曾評論說：“承認結論不等于承認理由；該實驗雖重要，但不能說Einstein理論已被證實”；這屬于少數人的清醒聲音。

在當代中國，改革開放使建設事業取得了偉大成就；其中也包含向西方科技界學習的作用。但現在我們不必(也不可)再迷信及緊跟西方，獨立思考仍然重要——這就是本文的結論。

致謝：在寫這篇短文時，曾與在美國工作的王令雋教授和中國物理學家梅曉春研究員討論，獲得很大啟發；謹致謝忱。