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第14章大耳朵的發(fā)現(xiàn)

黑洞夠不夠黑，這的確是個(gè)問題！令大家大跌眼鏡的是，這個(gè)黑洞居然會(huì)輻射粒子。讓我們回到上世紀(jì)六十年代來回望一下那段腦洞大開的研究史吧！

因?yàn)槲⒉ū尘拜椛浔徽业搅耍@是很明顯的證據(jù)。伽莫夫他們提出的大爆炸學(xué)說現(xiàn)在已經(jīng)在風(fēng)頭上壓過了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，但是霍伊爾還是不相信這個(gè)理論的，一度曾經(jīng)有所動(dòng)搖，但他后來又反水了，提出了新的穩(wěn)恒態(tài)模型。不過大家對(duì)他的理論已經(jīng)普遍興趣不大了，當(dāng)年那個(gè)崇拜他的超級(jí)粉絲霍金(圖14-9)也已經(jīng)長(zhǎng)大成人。他打算報(bào)考霍伊爾的研究生，但是很遺憾，霍伊爾的學(xué)生太多，就把霍金調(diào)劑給了另外一位老師丹尼斯 夏瑪。霍金這孩子很聰明，十七歲考進(jìn)了牛津大學(xué)，還當(dāng)上了賽艇隊(duì)的舵手，是個(gè)風(fēng)華正茂，才智出眾的年輕人。可是，在牛津的一年里，他開始變得笨拙，時(shí)常摔跤，人們注意到，這個(gè)學(xué)生身體出現(xiàn)了問題。

在考入劍橋大學(xué)之后，他的身體越來越差，講話開始含混不清。父母帶他去做了檢查，他得了“肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥”，俗稱“漸凍人”，醫(yī)生預(yù)言他活不過兩年。但是，他還是挺過來了，盡管他的生活空間越來越小，身體能活動(dòng)的部分越來越少，后期他全身幾乎都不能動(dòng)彈，但是這不妨礙他的大腦已經(jīng)在思考那最深邃最遙遠(yuǎn)的宇宙盡頭。這就是他的使命，不是嗎？

還好，他沒有成為霍伊爾的研究生，霍伊爾常年在外，在校園之內(nèi)停留的時(shí)間都不多。很難說會(huì)有多大精力去帶學(xué)生，畢竟人家事務(wù)繁忙。夏瑪老師則不同，他能實(shí)實(shí)在在地在學(xué)校里面好好培養(yǎng)呵護(hù)自己的學(xué)生，特別是霍金這樣身有殘障的年輕人。老師雖然自己還是偏向穩(wěn)恒態(tài)宇宙，但是他鼓勵(lì)霍金有自己的想法。夏瑪是狄拉克的學(xué)生，說起來，狄拉克是霍金的師爺，也正擁有著名聲較大的教職—劍橋大學(xué)盧卡斯數(shù)學(xué)講座教授。當(dāng)初牛頓也擔(dān)任過這個(gè)教職，還是國(guó)王親批的。若干年后，霍金也將擔(dān)任這個(gè)教職，一干就是幾十年……

在劍橋上學(xué)期間，夏瑪老師時(shí)常帶著學(xué)生們外出聽講座，結(jié)識(shí)各個(gè)領(lǐng)域的專家學(xué)者，霍金撐著不便的身體也跟著一起去。有一次碰到兒時(shí)的偶像霍伊爾講學(xué)，霍金發(fā)現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤，不依不饒地大喊：“那個(gè)量是發(fā)散的！”，鬧得霍伊爾下不來臺(tái)。偶像又怎樣呢？吾愛吾師，吾更愛真理！

夏瑪老師的一大功勞便是把彭羅斯(圖14-10)拉來入伙，從數(shù)學(xué)領(lǐng)域跳過來研究相對(duì)論和宇宙學(xué)。早在二十世紀(jì)五十年代，夏瑪老師在餐館里碰上了彭羅斯，彭羅斯就顯示出了非凡的天分。后來彭羅斯和霍金也成了很好的朋友，在夏瑪老師的帶領(lǐng)下研究廣義相對(duì)論。彭羅斯比霍金大了十一歲，大約就是李白與杜甫的年齡差距。彭羅斯本行是數(shù)學(xué)家，在拓?fù)鋵W(xué)領(lǐng)域有很深的功底，他把拓?fù)鋵W(xué)引入了廣義相對(duì)論的研究。美國(guó)的物理學(xué)家對(duì)拓?fù)鋵W(xué)并不重視，蘇聯(lián)人也不重視。郎道是蘇聯(lián)物理學(xué)界的學(xué)霸，他的入學(xué)考試號(hào)稱叫“郎道勢(shì)壘”，難度簡(jiǎn)直變態(tài)，能考進(jìn)去的都是人尖。但是郎道不考拓?fù)鋵W(xué)，因此另辟蹊徑的任務(wù)就落到了英國(guó)人身上。法國(guó)人干什么去了？天知道！

這個(gè)拓?fù)鋵W(xué)又是個(gè)什么學(xué)科呢？大家都玩過七巧板或者是拼圖嗎？理論上講，這也算是拓?fù)鋵W(xué)。拓?fù)鋵W(xué)關(guān)注位置關(guān)系，不關(guān)心大小。曾經(jīng)有個(gè)笑話，有個(gè)老板想造一個(gè)動(dòng)物園，這就需要去抓很多動(dòng)物，然后把動(dòng)物關(guān)在籠子里。這需要一大筆錢，老板就問各位專家，有沒有省點(diǎn)錢的辦法。大家面面相覷，有個(gè)拓?fù)鋵W(xué)家發(fā)言了，他說不用去抓野生動(dòng)物，動(dòng)物已經(jīng)被抓住了。你想啊，一般的動(dòng)物園都是動(dòng)物們關(guān)在籠子里，人在外邊看，現(xiàn)在我們把空間關(guān)系翻轉(zhuǎn)過來：把人放在籠子里，動(dòng)物放在外邊，這不是一樣的效果嘛！老板大受啟發(fā)，于是世界上及時(shí)個(gè)野生動(dòng)物園誕生了。果然是把人關(guān)在籠子里，動(dòng)物在外邊自由自在地溜達(dá)。

故事當(dāng)然是當(dāng)個(gè)段子來聽，但拓?fù)鋵W(xué)的思維告訴你空間的位置關(guān)系是個(gè)很深?yuàn)W的東西，特別是高維空間內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)上著名的“梅比烏斯帶”和“克萊因瓶”，倒是給人比較直觀的感受。

梅比烏斯帶(圖14-11)是個(gè)彎曲的二維面，在三維空間里面反扭了一下。這是一個(gè)沒有正反面的二維空間，純粹只有一個(gè)面。你拿一支筆來涂顏色的話，可以不抬筆全部涂滿。我們假想有一種二維的小人，生活在這種二維空間之內(nèi)。他就會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他轉(zhuǎn)一圈返回出發(fā)點(diǎn)的時(shí)候，居然成了原來的鏡像，顛倒過來了，不過不要緊，他再跑一圈就正過來了。感受到拓?fù)鋵W(xué)的魅力了吧！

克萊因瓶(圖14-12)是另外一種情況：這是一個(gè)有限無邊的面，但是它也只有一個(gè)面。因?yàn)榭巳R因瓶是三維的，要想實(shí)現(xiàn)只有一個(gè)面，必須有第四個(gè)維度來幫忙，就如同梅比烏斯帶一樣。二維空間，要想實(shí)現(xiàn)只有一個(gè)面，就必須在第三個(gè)維度里面反扭一下。我們平時(shí)生活在三維空間里，感受不到第四個(gè)維度。因此你只能想象一下，克萊因瓶下面那個(gè)交叉的地方其實(shí)并不交叉，因?yàn)椋孔游舶褪峭ㄟ^另外的維度接上瓶口的，這需要強(qiáng)大的腦補(bǔ)能力，暫時(shí)就別瞎想了，拓?fù)鋵W(xué)匪夷所思的地方還多著呢。

愛因斯坦的廣義相對(duì)論在戰(zhàn)后已經(jīng)成為了物理學(xué)家們必須要了解的一門學(xué)問，不像戰(zhàn)前，了解的人并不多。但是對(duì)于奇點(diǎn)，大家意見并不統(tǒng)一，一個(gè)質(zhì)量最夠大的恒星真的能夠一步步塌縮成為一個(gè)點(diǎn)嗎？這個(gè)點(diǎn)究竟是怎么樣的一種存在？那個(gè)早在及時(shí)次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)壕里被計(jì)算出來的史瓦西解就可以描述一個(gè)最簡(jiǎn)單的一種黑洞，這個(gè)黑洞是個(gè)靜態(tài)球?qū)ΨQ，而且不旋轉(zhuǎn)不帶電的黑洞。不久以后，帶電的RN黑洞也被計(jì)算出來了。相對(duì)來講，帶電的RN黑洞只比史瓦西黑洞復(fù)雜了一點(diǎn)兒。到了60年代初，隨著對(duì)大爆炸以及恒星塌縮過程的研究。奇點(diǎn)問題已經(jīng)繞不過去了。究竟在塌縮的恒星之中，能不能生成奇點(diǎn)呢？大家眾說紛紜。

蘇聯(lián)科學(xué)界相對(duì)來講比較封閉。他們與西方的學(xué)術(shù)交流還是有的，但是顯然沒那么通暢，甚至名稱術(shù)語都不統(tǒng)一：西方叫“塌縮星”，蘇聯(lián)人叫“冷凍星”。倒是美國(guó)的惠勒(圖14-13)在一次報(bào)告上用了“黑洞”這個(gè)詞匯。大家都覺得這個(gè)詞不錯(cuò)，很傳神地描述了這一類天體的特征，于是黑洞就成了標(biāo)準(zhǔn)的稱呼。惠勒的人生跨度很長(zhǎng)，三十年代他與玻爾一起工作過，后來在普林斯頓又與愛因斯坦成為同事。麥卡錫橫行之時(shí)，泰勒要去非美委員會(huì)作證，對(duì)奧本海默不利，惠勒連夜苦勸無效，氫彈之父告發(fā)了原子彈之父，這是科學(xué)史上的悲劇。

惠勒后來一直活到了北京奧運(yùn)會(huì)前夕，是哥本哈根時(shí)代僅存的大師。他一輩子培養(yǎng)出不少的好學(xué)生，比如研究蟲洞和引力波的基普 索恩，提出黑洞熵的貝肯斯坦都是他的學(xué)生，我們?cè)诤笪亩紩?huì)提到他們。

彭羅斯進(jìn)入相對(duì)論領(lǐng)域，首先就證明了奇點(diǎn)的問題。彭羅斯用數(shù)學(xué)證明，奇點(diǎn)必定會(huì)出現(xiàn)，特別是黑洞里。這一套數(shù)學(xué)證明的過程用到了拓?fù)鋵W(xué)，后來霍金把這個(gè)結(jié)論推廣到了宇宙起始的那一刻，宇宙的開端必定有奇點(diǎn)。夏瑪老師和彭羅斯以及霍金他們一伙人把劍橋變成了歐洲黑洞研究的老巢。

蘇聯(lián)人對(duì)外交流不算多，偶爾也來一趟，哈拉尼科夫做了個(gè)報(bào)告，栗弗席茲在家坐鎮(zhèn)沒來。他們認(rèn)為黑洞里面的奇點(diǎn)并不穩(wěn)定，在擾動(dòng)之下可能有問題。當(dāng)場(chǎng)有人提出了彭羅斯的理論，蘇聯(lián)人大驚失色，他們沒聽說過有這種理論。更加令人可怕的是他們對(duì)拓?fù)鋵W(xué)不熟悉，彭羅斯的玩意看不懂。照理說，蘇聯(lián)人擔(dān)心也并不是沒道理，天體并不是的對(duì)稱形狀，同時(shí)下落匯聚的時(shí)候，能不能地同時(shí)匯聚到一個(gè)點(diǎn)上呢？萬一對(duì)歪了沒打中呢？萬一時(shí)間對(duì)不上，彼此錯(cuò)過了呢？這是很正常的想法。

蘇聯(lián)的澤爾多維奇(圖14-14)他們一幫子人當(dāng)年是搞核彈的，原子彈爆炸也遇到類似問題。核裝藥是分解成好多塊擺在個(gè)球面上，周圍全是炸藥。炸藥要極其地同時(shí)起爆，各個(gè)核裝藥塊在爆炸的推擠下，要在千分之一毫秒的時(shí)間里齊刷刷地撞到一起，同時(shí)中子源點(diǎn)火，時(shí)間上不能彼此錯(cuò)過，空間上不能對(duì)歪一絲一毫，核彈才能順利起爆，做不到就只能放個(gè)啞炮。原子彈原理講起來并不復(fù)雜，真要做到那可是千難萬難。蘇聯(lián)人把核彈計(jì)算上用的思路移植到了黑洞塌縮上。當(dāng)然啦，原子彈去引燃?xì)鋸椀倪^程也是類似的，黑洞計(jì)算上也可以借鑒，澤爾多維奇就是蘇聯(lián)研制氫彈的功臣之一，這種辦法很，而且大家也都信得過。好多物理學(xué)家懷疑彭羅斯他們，惠勒倒是偏向彭羅斯。要是奇點(diǎn)還要考慮量子效應(yīng)，那又是一個(gè)頭兩個(gè)大。

彭羅斯他們沒工夫管這些事情，和霍金幾個(gè)人開始發(fā)展這套分析方法，很快，就成了一個(gè)非常厲害的體系。他們提出了新的奇點(diǎn)定理，一幫物理學(xué)家不得不惡補(bǔ)拓?fù)鋵W(xué)的知識(shí)。這種情形在歷史上也不是及時(shí)次出現(xiàn)了，當(dāng)年他們也是惡補(bǔ)微分幾何、惡補(bǔ)矩陣，現(xiàn)在開始惡補(bǔ)拓?fù)鋵W(xué)。數(shù)學(xué)家動(dòng)動(dòng)嘴，物理學(xué)家跑斷腿啊！

后來，索恩和霍金幾個(gè)人去了蘇聯(lián)，見了見蘇聯(lián)的朋友們。栗弗席茲(圖片14-15)倒是痛痛快快地承認(rèn)了錯(cuò)誤。反正栗弗席茲很坦誠(chéng)，他們用傳統(tǒng)方法也算出了一個(gè)可以穩(wěn)定存在的奇點(diǎn)，大家殊途同歸。傳統(tǒng)方式能算出更加豐富的信息，拓?fù)鋵W(xué)只能告訴你有奇點(diǎn)，卻不能告訴你別的。

奇點(diǎn)的問題告一段落，視界面還有問題。天體并不是對(duì)稱的，萬一是個(gè)歪瓜裂棗的形狀，塌縮過程里能不能形成個(gè)的球形的視界面呢？蘇聯(lián)的澤爾多維奇小組得出來的結(jié)果是—“天空飄來五個(gè)字，這都不是事”，略微有些起伏沒關(guān)系。在塌縮的過程里，這些不的地方會(huì)變成引力波輻射出去，變成的對(duì)稱形狀。蘇聯(lián)人一宣讀結(jié)論，西方人就感到震驚，看來鐵幕那一邊的人還是很有實(shí)力的。澤爾多維奇是研究核彈出身，后來才轉(zhuǎn)行來折騰黑洞的。計(jì)算黑洞的塌縮過程，把氫彈計(jì)算上要用到的那些壓力、激波、高溫、核反應(yīng)、輻射全都用上了。

夏瑪老師經(jīng)常派學(xué)生去參加各種各樣的學(xué)術(shù)會(huì)議，有時(shí)候是霍金去，有時(shí)候是別人。這一次去的是埃利斯，回來以后兩眼放光，講座上愛爾蘭的伊斯雷爾提到他算出來的結(jié)果：哪怕天體是方的，塌縮成黑洞也會(huì)得到一個(gè)球?qū)ΨQ的形狀。

電荷與角動(dòng)量不會(huì)變成引力波輻射出去，因此不會(huì)被抹平，這兩個(gè)信息是丟不掉的。黑洞就只剩下三個(gè)信息：旋轉(zhuǎn)、電荷、質(zhì)量。任何一個(gè)黑洞，有這三個(gè)信息你就能描述了，這是一個(gè)非常毀三觀的結(jié)論。普通人一定會(huì)問：吸進(jìn)去的物質(zhì)都哪里去了？其實(shí)這不奇怪，我們平時(shí)生活里見到的物體總可以獲得許多的信息，一塊蛋糕你可以掂量掂量有多重，也可以咬一口看看軟硬，還可以嘗嘗是甜的還是咸的。總之，一塊蛋糕包含了非常豐富的信息。我們都是通過這些信息來理解特定事物的，信息越是豐富，我們就越是覺得這個(gè)東西實(shí)在，相反就不太能接受信息越來越少的情況。氣體的信息就少多了，沒有形狀，也不一定有味道，很可能沒有顏色，了解空氣只能通過流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)和氣壓。面對(duì)黑洞，我們很不安，物質(zhì)掉進(jìn)黑洞里，我們熟悉的那些信息統(tǒng)統(tǒng)感受不到了。對(duì)此，我們的腦子很難接受。大家總是腦補(bǔ)，物質(zhì)一定囤積在黑洞的內(nèi)部。人總是違拗不過直覺，可物理偏偏又是反直覺的，大跌眼鏡已經(jīng)是家常便飯了。

搞廣義相對(duì)論的科學(xué)家們對(duì)此并不在意，奇葩的東西見怪不怪。惠勒充分體現(xiàn)了他為老不尊的一面，他把黑洞信息理論稱為“黑洞無毛定理”(這個(gè)詞在西方含有XXX的意味)，物理學(xué)家們廣泛接受了這個(gè)稱呼，伊斯雷爾在自己論文里面毫不猶豫地就寫上了“黑洞無毛定理”。倒是雜志的編輯們受不了了，你們這幫子物理學(xué)家為什么都這么“污”！《物理評(píng)論》的老編輯們拒絕刊登這種含有污言穢語的文章，但還是胳膊擰不過大腿，大批的物理學(xué)家們用得不亦樂乎，編輯們也不得不接受了這個(gè)詞。這個(gè)詞翻成中文倒是看不出什么，有人還稱為“三毛定理”，倒也是蠻貼切的。

惠勒一向很頑皮，他七十歲生日的時(shí)候，正好參加學(xué)術(shù)會(huì)議。他發(fā)現(xiàn)沒人記得今日是他的七十大壽，一份禮物都沒收到。于是就在別人的椅子腿后面綁了鞭炮，一聲轟響，現(xiàn)場(chǎng)亂作一團(tuán)……