時空奇點與黑洞

柳穗

2020年諾貝爾物理學(xué)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(xué)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?wù)叩拈_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(jù)，證明銀河系中心存在一個超大質(zhì)量黑洞。其中，羅杰·彭羅斯是英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家、目前為牛津大學(xué)名譽教授，他獲獎的原因是用數(shù)學(xué)嚴格證明了黑洞的產(chǎn)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(xué)洛杉磯分校天文學(xué)教授，這兩位科學(xué)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(zhì)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?nèi)ネy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(zhì)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(xué)家賴因哈德·根策爾和美國女天文學(xué)家安德烈婭·蓋茲就各自領(lǐng)導(dǎo)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)？根據(jù)目前的引力理論，只有一個可能的候選者——超大質(zhì)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(jù)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(zhì)量?？茖W(xué)家經(jīng)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(zhì)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(jù)廣義相對論，物質(zhì)之間的引力來自于時空的彎曲。僅僅幾個月后，德國天文學(xué)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(zhì)聚攏在時空中的一點，那么這團物質(zhì)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(xué)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(lǐng)域迎來了它的黃金時代，一大批天文學(xué)家、物理學(xué)家投身于這個領(lǐng)域?，F(xiàn)在人們所知道的有關(guān)于黑洞的知識基本上都是在這段時間內(nèi)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(xué)的教授約翰·惠勒，他不僅學(xué)術(shù)研究非常出色，而且在科學(xué)傳播方面也做了非常多的工作。黑洞這個名字經(jīng)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(jīng)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(xué)世家，父親是著名的人類遺傳學(xué)家萊昂內(nèi)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(xué)家，弟弟是國際象棋大師，妹妹是英國知名的醫(yī)學(xué)科學(xué)家、遺傳學(xué)家。

小時候，彭羅斯的數(shù)學(xué)不太好，他反應(yīng)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(xué)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?nèi)绱嗽愀夂?，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?？荚嚱Y(jié)束后的活動時間中，每個同學(xué)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(xué)之后，彭羅斯先進入英國倫敦大學(xué)學(xué)院的隸屬中學(xué)，然后進入倫敦大學(xué)學(xué)院，大學(xué)畢業(yè)后進入英國劍橋大學(xué)攻讀博士學(xué)位。1958年，彭羅斯在知名代數(shù)學(xué)家與幾何學(xué)家約翰·托德的指導(dǎo)下獲得劍橋大學(xué)博士學(xué)位。

在那個時期，已經(jīng)有一些科學(xué)家證明了廣義相對論對黑洞的預(yù)言，但那些研究都假定了嚴格的球?qū)ΨQ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?qū)ΨQ的。因此，這些研究作為對黑洞的預(yù)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)生的拉扯力越大，最終歸于毀滅。

奇點的存在一直是物理學(xué)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(nèi)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(xué)、已經(jīng)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(xué)的旅程。彭羅斯比霍金大11歲，他有相當好的數(shù)學(xué)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(zhì)。

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(xué)概念，一部分是數(shù)學(xué)上的嚴格證明。

1965-1968年，霍金完善了前人關(guān)于宇宙起源的設(shè)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(xué)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(jié)——時間誕生于大爆炸的奇點，終結(jié)于黑洞內(nèi)部的奇點。

奇點定理讓“宇宙大爆炸” 學(xué)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(jīng)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(xué)說是目前唯一一個符合所有觀測結(jié)果的假說。而這一切都起源于霍金和彭羅斯關(guān)于奇點的論證。

2010 年， 彭羅斯與另一位科學(xué)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(yīng)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(jù)，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(nèi)的物質(zhì)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(shù)的迅猛發(fā)展，到目前為止，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了非常多的黑洞，通過質(zhì)量可以把它們分解為三大類：

一類是恒星量級的黑洞，其質(zhì)量介于3個到100個太陽質(zhì)量之間。按照理論，在銀河系中應(yīng)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(zhì)量測量。

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

第三類是超大質(zhì)量的黑洞，其質(zhì)量介于100萬個至100億個太陽質(zhì)量之間。科學(xué)家相信，在包括銀河系在內(nèi)所有星系的中心，都會有一個或數(shù)個超大質(zhì)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(zhì)量，一個是它的轉(zhuǎn)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(zhì)量，一個轉(zhuǎn)動，科學(xué)家主要的任務(wù)就是測量黑洞的這兩個基本量。

超大質(zhì)量黑洞被發(fā)現(xiàn)了，但是它實際上給理論學(xué)家?guī)砹诵碌膯栴}。例如：質(zhì)量如此巨大的黑洞是如何形成的？恒星質(zhì)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(zhì)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(guān)于超大質(zhì)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(nèi)小質(zhì)量黑洞的合并，中等質(zhì)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(shè)，有些在經(jīng)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(xué)家發(fā)現(xiàn)這些超大質(zhì)量黑洞其實在很早期的宇宙就已經(jīng)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(zhì)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(zhì)量黑洞如何形成，它們本身也是足夠有趣的事物：超大質(zhì)量黑洞占據(jù)了星系里可觀的質(zhì)量，勢必對星系的演化產(chǎn)生影響。超大質(zhì)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(nèi)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(xué)者去探索。

黑洞研究未有窮期

2020年諾貝爾物理學(xué)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(zhì)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(xué)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(xué)家塞弗特對星系的分類以及后來的天文學(xué)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(nèi)的超大質(zhì)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(guān)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(chǎn)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(xué)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(zhì)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(xué)獎，是對幾十年來黑洞研究工作的一次總結(jié)。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(xué)家們?nèi)ニ伎己吞剿鳌?p>

強大的天文望遠鏡對準銀河系中心