霍金和黑洞同尷尬

方玄昌　張　雙

已經(jīng)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(yuǎn)無法通過實驗觀察來加以驗證

英國科學(xué)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?！倍诙纯赡苡质巧衿娴挠钪嬷凶顬樯衩氐囊环N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(yuǎn)無法了解它的內(nèi)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(shù)學(xué)、純理論的方法做研究，科學(xué)家很難用實驗去觀測和驗證這些理論。

這就是有人認(rèn)為他是愛因斯坦之后最偉大的理論物理學(xué)家、但另有人卻認(rèn)為他即使在劍橋大學(xué)自己所在的院系都不是最優(yōu)秀的科學(xué)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(xiàn)已退休)說，人類和天文學(xué)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(xué)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(xué)術(shù)語。

但對于黑洞，早在拉普拉斯(1749-1827，法國著名數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家)時代就有理論。拉普拉斯根據(jù)經(jīng)典的牛頓力學(xué)預(yù)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(zhì)就不能從中逃逸。

天文學(xué)家在上世紀(jì)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(dāng)一個原始天體燃盡它所有的燃料后將發(fā)生坍縮，這就是超級星爆發(fā)。爆發(fā)時它將損失相當(dāng)多的能量和質(zhì)量，但只要最后剩下的質(zhì)量超過3.2個太陽質(zhì)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(nèi)，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(zhì)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(xiàn)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(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)情況(兩個天體相互運(yùn)轉(zhuǎn)組成雙天體)，從而得出其質(zhì)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(xué)家在星系中心發(fā)現(xiàn)了超大質(zhì)量黑洞，并算出它體積很小，質(zhì)量卻極大?！坝捎趲讉€不同的天文學(xué)家小組，從低級望遠(yuǎn)鏡到哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，都探測到了，宇宙中有這樣超大質(zhì)量的黑洞就成了板上釘釘?shù)氖虑椤！崩罡傉f。

恒星質(zhì)量黑洞雖有經(jīng)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(zhì)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(xiàn)在科學(xué)家努力的方向。

“不可驗證”的霍金

恒星質(zhì)量黑洞理論跟霍金毫無關(guān)系?；艚鹛岢隽肆硗庖粋€黑洞學(xué)說，他認(rèn)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(zhì)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(xué)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(xué)家對一種理論最關(guān)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(rèn)為要描述宇宙，X、Y、Z和T(時間)4個未知數(shù)是不夠的，要加到11個未知數(shù)之后，才能夠解釋宇宙的很多結(jié)構(gòu)。

這些“維”同樣是天文學(xué)家無法探測的。

李競介紹，在宇宙起源學(xué)說領(lǐng)域，現(xiàn)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(zhì)規(guī)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(xiàn)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(fù)垣曾經(jīng)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(rèn)為，霍金用純數(shù)學(xué)方法做物理學(xué)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(dāng)中也有很多預(yù)言，是后來被人類驗證的。

“預(yù)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(xiàn)在還沒有給出明晰的、可以讓人去尋找的東西?！崩罡傉f。-

黑洞不“黑”

人們原先認(rèn)為，所有的物質(zhì)和能量經(jīng)過黑洞時都會永遠(yuǎn)消失。然而在1974年，霍金在結(jié)合量子力學(xué)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(jié)束生命。

同時，天文學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，一個黑洞吸引其他恒星的物質(zhì)，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(zhuǎn)的物質(zhì)盤(叫做吸積盤)。另外一個恒星的物質(zhì)是先打到這個盤上去，盤上的物質(zhì)才像螺旋一樣進(jìn)入黑洞，這些都已經(jīng)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(xiàn)在霍金認(rèn)為，信息進(jìn)入了黑洞后還是能出來的。只是物質(zhì)被吸進(jìn)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(xué)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(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)在全世界都在期待霍金未來的論文能有所描述。