時空奇點與黑洞

柳穗

2020年諾貝爾物理學獎獲得者，從左至右：羅杰·彭羅斯、賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲

2020年的諾貝爾物理學獎帶我們發(fā)現(xiàn)宇宙探索的又一“高光時刻”——黑洞和銀河系“最深處的秘密”，三位獲獎者的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，為我們提供了迄今為止最令人信服的證據，證明銀河系中心存在一個超大質量黑洞。其中，羅杰·彭羅斯是英國數(shù)學物理學家、目前為牛津大學名譽教授，他獲獎的原因是用數(shù)學嚴格證明了黑洞的產生符合愛因斯坦廣義相對論的原理;賴因哈德·根策爾現(xiàn)為德國馬克斯·普朗克地外物理研究所所長，安德烈婭·蓋茲現(xiàn)為美國加州大學洛杉磯分校天文學教授，這兩位科學家通過近30年的持續(xù)追蹤和計算，發(fā)現(xiàn)了銀河系中心的超大質量天體。

銀河系中央的至暗奧秘

我們的銀河系是一個棒旋星系，其中包含4000億顆恒星、大量的星團、星云，同時還包含著無數(shù)的星際氣體和星際塵埃。太陽系所處的位置是銀河系的邊緣地帶，從地球出發(fā)，我們去往銀河系的銀心，至少需要2.6萬光年。

銀心位于人馬座、蛇夫座與天蝎座三個星座中，是銀河系環(huán)繞的中心區(qū)域，同時也是整個銀河系中最明亮的區(qū)域。在那里，有100億顆恒星閃耀，點綴星空，跨度達到數(shù)千光年。最中心處被標示為強烈的電波源，可能是個超大質量黑洞，被命名為人馬座A*。

從20世紀90年代初期開始，德國物理學家賴因哈德·根策爾和美國女天文學家安德烈婭·蓋茲就各自領導著一支隊伍對銀河系中心的人馬座A*區(qū)域展開觀測。兩支隊伍不約而同地發(fā)現(xiàn)，這里無時無刻不在上演著詭異的景象：似乎有一個質量非常大的不可見物體，像一頭怪物，牽引著這一團恒星，使它們以令人眩暈的速度四處亂竄。其中一顆恒星，被稱為S2，花了不到16年的時間就繞著銀河中心轉完了一整圈。這個周期短到令人咋舌，相比之下，我們的太陽繞著銀河系中心走完一圈，要花上2億多年才行。

是什么讓恒星圍繞著銀河系的中心以超乎想象的速度旋轉？根據目前的引力理論，只有一個可能的候選者——超大質量黑洞。

近30年來，根策爾和蓋茲一直在我們星系中心的一團亂麻中追蹤著銀河系中心。根策爾團隊使用位于智利的歐洲南方天文臺，蓋茲團隊使用位于夏威夷的Keck天文臺，這兩個天文臺都配有當今世界上最強大的天文望遠鏡。從地球看去，銀心部分充斥著宇宙塵埃和干擾星光。根策爾和蓋茲開發(fā)出了一系列方法，可以穿過星際氣體和塵埃聚成的巨大云團，觀測到銀河系的中心。同時，他們還通過對地球大氣帶來的成像扭曲進行矯正，進一步提升了上述方法的精度和觀測極限。最終，在他們的努力下，銀河系中央存在巨型黑洞的決定性證據呈現(xiàn)在了世人面前。

我們看不到黑洞本身，但是可以看到黑洞周圍恒星的運動軌跡。通過計算這些恒星的軌道，就可以反推出黑洞的位置和質量。科學家經過多次測定，人馬座A*區(qū)域雖然大小和整個太陽系差不多，但質量卻達到了430萬個太陽那么大。

研究黑洞的歷史

黑洞是宇宙中最恐怖的天體，它引力極其強大，能夠吞噬周圍的一切，以至于所有粒子，甚至光都無法逃出它的魔掌。這樣的暗黑天體人類是無法觀測到的，也曾長時間無法相信它的存在。

1915年，愛因斯坦發(fā)展出廣義相對論理論，根據廣義相對論，物質之間的引力來自于時空的彎曲。僅僅幾個月后，德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算廣義相對論引力場方程得到了著名的史瓦西解。史瓦西解表明，如果將大量物質聚攏在時空中的一點，那么這團物質就會把時空嚴重扭曲，以至于速度為每秒30萬千米的光都無法逃脫，這便是我們現(xiàn)在所熟知的黑洞雛形。

但戲劇性的是，愛因斯坦本人并不相信黑洞是真實存在的，甚至在1939年發(fā)表的一篇論文中還公開說明黑洞不能存在的理由。其實，當時大多數(shù)物理學家都不敢相信宇宙中竟然還有這么奇怪的天體，但隨著時間的推移，越來越多的計算證明了黑洞存在的可能性。

20世紀60年代后，黑洞研究領域迎來了它的黃金時代，一大批天文學家、物理學家投身于這個領域。現(xiàn)在人們所知道的有關于黑洞的知識基本上都是在這段時間內得到的。在這一時期，有一位非常知名的相對論物理大師——美國普林斯頓大學的教授約翰·惠勒，他不僅學術研究非常出色，而且在科學傳播方面也做了非常多的工作。黑洞這個名字經過他的命名和推廣，才得以被眾人所知。在惠勒之后，霍金進一步發(fā)現(xiàn)了所謂的霍金輻射，改變了之前經典廣義相對論對于黑洞的認識。

彭羅斯證明了黑洞的存在

羅杰·彭羅斯1931年8月8日出生于英國埃塞克斯州的一個科學世家，父親是著名的人類遺傳學家萊昂內爾·彭羅斯。羅杰·彭羅斯在家中排行老二，哥哥是著名的理論物理學家，弟弟是國際象棋大師，妹妹是英國知名的醫(yī)學科學家、遺傳學家。

小時候，彭羅斯的數(shù)學不太好，他反應很慢，慢到讓人無法想象。一次在課上，老師要求完成一些心算，學生們必須很快地計算，對年僅8歲的彭羅斯來說那速度太快了。因此，老師把他換到了一個稍差的班級中。那個班級的老師發(fā)現(xiàn)彭羅斯考試成績如此糟糕后，決定不限定考試的時間，喜歡做多久都可以，且考的考卷都是一樣的。考試結束后的活動時間中，每個同學都走出教室開心地玩耍著，而小彭羅斯仍在繼續(xù)答題。最終，彭羅斯都完成得不錯。只要可以慢慢來，彭羅斯就能得高分。

小學之后，彭羅斯先進入英國倫敦大學學院的隸屬中學，然后進入倫敦大學學院，大學畢業(yè)后進入英國劍橋大學攻讀博士學位。1958年，彭羅斯在知名代數(shù)學家與幾何學家約翰·托德的指導下獲得劍橋大學博士學位。

在那個時期，已經有一些科學家證明了廣義相對論對黑洞的預言，但那些研究都假定了嚴格的球對稱性，即假定了一個物理上無法確立甚至有可能不成立的條件，而現(xiàn)實世界里的恒星雖接近球形，卻不可能是嚴格球對稱的。因此，這些研究作為對黑洞的預言都不夠堅實。對恒星能否坍塌為黑洞，甚至黑洞能否存在，當時仍有大量懷疑——懷疑者中包括了愛因斯坦本人。

1965年及以后，彭羅斯發(fā)表了以《引力坍塌和時空奇點》為代表的一系列論文，采用了在當時的廣義相對論研究中還很新穎的拓撲幾何方法，在不依賴對稱性的、更普遍的條件下，證明了在大質量天體塌縮成黑洞的過程中，必然存在一個點，所有的塌縮物質在這個點之后不再存在，所有已知的自然規(guī)律也都在其中停止了。用幾何的語言來說，這是幾何上的奇點。而在普通人看來，這是毀滅之點，因為越是靠近這個點，引力產生的拉扯力越大，最終歸于毀滅。

奇點的存在一直是物理學中的一個難題。好在我們這些在黑洞外部的人不必擔心，因為我們看不到它們，它們總是被所謂的視界包圍起來，對于視界內部，我們什么也看不到。

霍金和彭羅斯的雙劍合璧

當時，同在劍橋大學、已經患上“漸凍癥”的霍金遇到彭羅斯，開始了他們合作研究宇宙學的旅程。彭羅斯比霍金大11歲，他有相當好的數(shù)學功底，當其他人正在費盡心思猜測求解方程時，他引進了一種新方法，不需要具體的求解方程，就能看出解的一些性質。

彭羅斯和霍金在一起

從1965到1970年，霍金和彭羅斯組成一個黑洞和嬰兒宇宙（即“早期宇宙”）的研究小組，兩人一道將奇點的存在性證明推廣到更加普遍的宇宙世界里，包括早期宇宙，他們提出了著名的“彭羅斯-霍金奇點定理”，定理有兩部分：一部分是物理學概念，一部分是數(shù)學上的嚴格證明。

1965-1968年，霍金完善了前人關于宇宙起源的設想：宇宙可能起源于一場大爆炸，其中心為時空奇點——一個密度無限大，體積無限小的點。1970年，霍金與彭羅斯合作給出了嚴格的數(shù)學證明——在廣義相對論框架下，宇宙中必然存在奇點。這意味著宇宙有開始也有終結——時間誕生于大爆炸的奇點，終結于黑洞內部的奇點。

奇點定理讓“宇宙大爆炸” 學說變得理所當然。因為奇點必然存在，所以宇宙必然有開端，這就是奇點定理的偉大意義。經過幾十年的發(fā)展，目前只有大爆炸假說可以完美處理奇點的問題。微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，引力波的發(fā)現(xiàn)，類星體（活動星系核）的研究成果都在表明，大爆炸學說是目前唯一一個符合所有觀測結果的假說。而這一切都起源于霍金和彭羅斯關于奇點的論證。

2010 年， 彭羅斯與另一位科學家分析了威爾金森微波背景輻射探測器觀測到的資料，發(fā)現(xiàn)在大爆炸之前竟然存在神秘的輻射。他們的研究報告稱，一共發(fā)現(xiàn)了12個同心圓輻射印跡，其中有五個環(huán)具有特別的意義， 分別對應著宇宙演化歷史上五次大規(guī)模的事件。彭羅斯和合作者稱這是宇宙大爆炸之前還存在另一個宇宙的證據，他們提出一個新的宇宙模型，在這個模型中，我們的宇宙是更大的振蕩宇宙的一部分，今天的宇宙一直在膨脹，但是這種膨脹并非萬古不變，隨著黑洞將宇宙內的物質全部吞噬，在遙遠的未來將以大爆炸的形式再度開啟另一個宇宙。

更多的黑洞類型

得益于天文觀測技術的迅猛發(fā)展，到目前為止，科學家已經發(fā)現(xiàn)了非常多的黑洞，通過質量可以把它們分解為三大類：

一類是恒星量級的黑洞，其質量介于3個到100個太陽質量之間。按照理論，在銀河系中應該存在著上億個恒星量級的黑洞，但遺憾的是人類到目前為止僅僅探測到了幾十個，而且只有不到20個恒星量級的黑洞有非常精確的質量測量。

第二類是中等質量的黑洞，其質量介于100個到100萬個太陽質量之間。對于中等質量的黑洞，現(xiàn)在觀測的直接證據非常少，但是理論研究證明，它們應該是存在的，所以尋找中等質量的黑洞也是目前研究的一個熱門課題。

第三類是超大質量的黑洞，其質量介于100萬個至100億個太陽質量之間。科學家相信，在包括銀河系在內所有星系的中心，都會有一個或數(shù)個超大質量黑洞的存在。

對于黑洞，只需要3個物理量就可以描述它，一個是它的質量，一個是它的轉動，另外一個就是它的電荷。在宇宙當中，氣體幾乎都是以等離子體狀態(tài)存在，會存在非常多的自由電荷。如果一個黑洞帶電，那很容易吸附周圍的帶電粒子而達到電力平衡。所以最終只剩下兩個物理量，一個質量，一個轉動，科學家主要的任務就是測量黑洞的這兩個基本量。

超大質量黑洞被發(fā)現(xiàn)了，但是它實際上給理論學家?guī)砹诵碌膯栴}。例如：質量如此巨大的黑洞是如何形成的？恒星質量的黑洞尚可通過恒星坍縮來解釋，但是宇宙中并沒有發(fā)現(xiàn)數(shù)百萬到數(shù)億個太陽質量的恒星，這種恒星在理論上能否存在也是一個未知數(shù)。

關于超大質量黑洞的形成，幾十年來大家提出了各種模型，比如球狀星團內小質量黑洞的合并，中等質量黑洞吸積周圍恒星氣體長大等。但是這些模型有些依賴過多的假設，有些在經過仔細考慮后對物理環(huán)境的要求過于苛刻。此外，隨著高紅移星系觀測的進步，天文學家發(fā)現(xiàn)這些超大質量黑洞其實在很早期的宇宙就已經存在了，這也給這類理論提出了新的挑戰(zhàn)。這仍然是超大質量黑洞的研究中最重要的懸而未決的問題之一。

即使不考慮超大質量黑洞如何形成，它們本身也是足夠有趣的事物：超大質量黑洞占據了星系里可觀的質量，勢必對星系的演化產生影響。超大質量黑洞的吸積向星系發(fā)射出巨大的能量，也一定會影響星系內氣體和恒星的行為。然而，我們并不清楚這些事情如何發(fā)生。所有的這些都是極其有趣的問題，并且吸引著新一代的學者去探索。

黑洞研究未有窮期

2020年諾貝爾物理學獎的三位獲得者，用開創(chuàng)性的智慧為我們帶來了研究超大質量天體的全新方法，他們各自取得的成就也毫無疑問地為人類打開了通往新世界的大門。

從1915年廣義相對論橫空出世，到最早的黑洞解被計算出，到美國物理學家奧本海默等人證明事件視界的可能存在，到彭羅斯與霍金證明了奇點的可能存在，到天鵝座X-1的發(fā)現(xiàn)，再到美國天文學家塞弗特對星系的分類以及后來的天文學家對這類物理機制的洞察，一直到根策爾和蓋茲發(fā)現(xiàn)銀河系內的超大質量黑洞，我們在一步一步中挑戰(zhàn)著人類對于黑洞這一宇宙中最奇特的天體的認知，并且不斷地提出新的問題與挑戰(zhàn)。

在根策爾和蓋茲的發(fā)現(xiàn)之后，關于黑洞的故事仍在繼續(xù)。2015年9月14日，位于美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）捕捉到了兩個黑洞合并產生的引力波，這次事件暗示了黑洞是真實存在的。2019年4月10日，全球多地天文學家同步公布了黑洞“真容”。該黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍。它的核心區(qū)域存在一個陰影，周圍環(huán)繞一個新月狀光環(huán)。這兩項成果證實了黑洞是一種客觀物理實體，而不是科幻小說中的虛擬概念。

今年的諾貝爾物理學獎，是對幾十年來黑洞研究工作的一次總結。然而，人類卻發(fā)現(xiàn)仍然有無數(shù)的未知在門外等候，仍然在等待著物理學家們去思考和探索。

強大的天文望遠鏡對準銀河系中心