“好赌之徒”霍金和他的四场赌局 | 赛先生天文
片子《星际穿越》中的黑洞图
撰文 | 郑晓晨（北京天文馆）、毛淑德（清华大学）
责编 | 韩越扬、吕浩然
1985年4月，霍金（S. Hawking）第一次到访中国，受邀在中国科学手艺大学的水上讲演厅做了两场公家陈述。其时，本 *** 者之一仍是中科大的一名大一学生，有幸做为不雅寡聆听了他的陈述。陈述涵盖了两个方面，一个介绍黑洞构成的相关理论，一个解惑时间车轮为何滚滚向前。那两场“万人空巷”的陈述给科大学生留下了极为深进的印象，有些学生后来抉择将天文学做为本身斗争末身的事业，霍金的那两场陈述恰是重要的契机之一。
图1: 霍金生前保留在办公室的赌局凭证，照片来源于【1】
霍金，那位科学界的传怪杰物，除了身残志坚的浩瀚事迹外，亦是一个科学上的“赌徒”。热衷于打赌的他，曾数次“豪”赌，虽说每次都惨遭“打脸”，却又屡败屡战，乐在此中。至今，他的办公室还保留着三个拆裱好的赌局凭证（见图1）。有意思的是，那些赌局几乎都曲指黑洞探索的核心问题。本文旨在揭开那位举世皆知的大科学家庄重面纱下的另一面，带各人回忆深邃莫测的黑洞科学背后那些有趣的旧闻，一窥阿谁牛人辈出的黄金时代。
01 赌局前菜：黑洞的降生
1905年，在德国《物理学年鉴》第四期上登载了一篇名为《论动体的电动力学》的文章，拉开了相对论时代的序幕。在那篇论文中，爱因斯坦提出了光速稳定原理和狭义相对性原理，突破了绝对的时空不雅，构建了全新的时空纲领。十年后，爱因斯坦近一步熟悉到了引力与时空联系关系的水平——时空决定物量若何运动，物量决按时空若何弯曲。其数学表达，即为爱因斯坦引力场方程【2】：
爱因斯坦引力场方程是一个非线性偏微分方程，数学形式简洁，物理思惟精辟，彻底改革了时空认知，独一的缺点就是求解难度太大。
同年，德国天体物理学家史瓦西（K. Schwarzschild）顶着第一次世界大战的炮火，求得了第一个解析解，那个解描述了一个静态的球对称天体所引发的时空弯曲情状。
按照那个解，任何物体都存在一个与其量量相对应的特殊鸿沟（2GM/C2，此中G是万有引力常数，M为球天体量量，c为光速），远离该鸿沟区域，时空近乎平展，然而在此鸿沟区域四周，时空急剧弯曲，那个特殊鸿沟即为史瓦西半径。在史瓦西半径之内，任何物量都将被吸进往，连光子都无法逃逸，那也是黑洞概念的雏形。
尔后几十年间，黑洞研究停顿迟钝。其实，严重的停顿仍是有的，只是未被普及承认。好比，在1935年的英国皇家天文学会的会议上，年轻的钱德拉塞卡（S. Chandrasekhar，1983年诺贝尔物理学奖得主）介绍了本身有关恒星不变性的研究，那项研究事关恒星演化的末极命运，却遭到了其时的权势巨子爱丁顿的公开讪笑【3】。
当恒星迈向衰亡燃料耗尽后，热平衡难认为继，若何构建新的平衡？谜底是电子。逐步冷却的恒星将在其自引力感化下坍缩，遭到高度挤压的电子因为泡利不相容原理彼此排挤，从而平衡引力，阻遏星体的进一步塌缩。如许一种依靠电子简并压不变存在的天体，即为白矮星。
白矮星是其时支流概念盖印认定的恒星尸体。然而，钱德拉塞卡却发现白矮星并不是所有恒星的宿命，关于大量量恒星来说，电子的简并压将不敷以抗衡其浩大的自引力，灾难性的坍缩无可禁止，星体体积将进一步收缩，密度将进一步增大，黑洞概念已然唤之欲出。
1939年，同样年轻的奥本海默（R. Oppenheimer）和他的合做者通过计算发现，在广义相对论的语境下，当一颗致密星体的量量超越3.2倍太阳量量时，其自引力将无可匹敌，星体将坍缩到其史瓦西半径以下，构成一个致密的奇点，即为黑洞【4】。
如今我们都晓得了，恒星的回宿与其降生之初的身形息息相关，小量量的恒星最末将冷却成为一颗量量不超越1.44倍太阳量量的白矮星（钱德拉塞卡量量极限），大量量恒星演化的末极形态则可能是密度更大的中子星以至黑洞。然而在昔时，无论是理论物理的权势巨子爱因斯坦，仍是天文学界的权势巨子爱丁顿，都不附和可不雅测宇宙中存在如许一种密度无限大的不成不雅怪物——黑洞。
02 盛筵开启：第一场赌局——黑洞的发现
20世纪60年代，黑洞研究的命运迎来了严重起色。起首，1963年新西兰的数学家克尔（R. Kerr）再次切确求解爱因斯坦场方程，描画了一种带有自旋的黑洞。比拟于静态的史瓦西黑洞，克尔黑洞更接近于现实情状。一年后，美国天文学家贾科尼（R. Giacconi，2002年诺贝尔物理学奖获得者）不测地探测到一个秘密的X射线源，那个X射线源靠近银河系的中心，位于天鹅座标的目的，被定名为天鹅座X-1。
清除了超新星爆炸的可能，天鹅座X-1很有可能是一个双星系统，由一个可见的蓝超巨星和一颗不成见的恒星级黑洞构成。因为，按照贾科尼提出的双星吸积模子：当双星系统中存在一个高度致密的中子星或黑洞时，它将强势地掠夺其伴星的气体，构成吸积盘。那一过程中，将有物量源源不竭地掉落到中子星或黑洞上，浩大的无处安置的引力势将部门通过高能X射线的形式辐射释放（见图2）。
图2：天鹅座X-1，左图为其位置图，右图为双星吸积概念图，图片摘自Chandra X-ray Observatory
自此，天鹅座X-1成为人类汗青上发现的第一个黑洞候选体【5】。黑洞末于走上台前，备受注目。大量雄心壮志的物理学家、天文学家对其投进了高度的研究热情，盛筵开启。
图3：第一场赌局——黑洞的发现。霍金和索恩就黑洞的存在于1974年12月10日签下的赌博凭证，照片来源于加州理工学院。
1974年，已在黑洞研究范畴颇有建树的霍金，和美国理论物理学家索恩（K. Thorne，2017年诺贝尔物理学奖得主）打了个赌，赌天鹅座 X-1 双星系统能否存在黑洞。然而让人不测的是，霍金竟然在赌局中否认了黑洞的存在（见图3）。
十几年后，在那本畅销全球的《时间简史》中，霍金如斯描述本身的那场赌局：“对我来说，那场赌局就是一份保单。我在黑洞方面做了良多工做，若是最末证实黑洞其实不存在，那么我的工做将毫无意义，但最少赢了赌局，聊以慰藉，还能够免费订阅四年《私人侦察》（Private Eye，英国讥笑杂志）。其时，我们认为天鹅座X-1有80%的可能性是一个黑洞。如今，那个可能性到达了95%，当然，还没到盖棺定论的时候”。
随后越来越多的不雅测表白，天鹅座X-1中不成见伴星的量量已然超越了奥本海默揣度的中子星量量极限（2021年的最新切确丈量成果表白此中的黑洞量量以至高达21倍太阳量量），第一黑洞，实至名回。
在再版的《时间简史》中，霍金大方认可本身输掉了赌约，他很兴奋地付出了本身的赔款，为索恩订购了一年的《阁楼》（Penthouse，美国成人杂志），据说曾形成了索恩夫妻关系的短暂动乱。
03 第二场赌局：宇宙中的裸奇点
时间回溯到二十世纪六七十年代，霍金和英国物理学家、数学家彭罗斯（R. Penrose，2020年诺贝尔物理学奖得主）配合证了然奇点定理【6】，简而言之世间黑洞皆有奇点。而所谓奇点，能够简单理解为密度和时空曲率发散至无限大的黑洞中心点，在那一点上，时间停滞，现有物理定律失效。
因为在黑洞的史瓦西半径之内，没有任何物量信息可以泄露进来，包罗光子，所以外界永久无法领略史瓦西半径内的任何细节。因而，史瓦西半径也称之为黑洞“视界”。
黑洞的奇点必然在视界内被视界面包裹，如许，信息跑不出黑洞，也就不会损坏时空的因果性。
20世纪70年代，霍金发如今量子理论的语境下，黑洞将不竭向视界外辐射光子以及少量带量量粒子，从而丧失量量。那个发现，即为黑洞蒸发。黑洞量量越小，蒸发速度越快，曲至消亡。那么，一个不竭蒸发的黑洞能否末将迎来一个 *** 的奇点？那是个很可怕的可能性，因为一个 *** 的奇点将向四面扩散不确定信息，物理定律将普及失效，没有任何一位等待操纵物理定律预言将来的物理学家乐见如许的成果。
好比，彭罗斯就凭曲觉认为不成能存在裸奇点。早在1969年，他就提出了宇宙监视假说（co *** ic censorship conjuecture）：宇宙中一定存在一位监视者，禁止任何 *** 奇点的存在。那位监视者应该是某条已知或未知的物理定律。霍金就是宇宙监视假说的果敢撑持者。
1991年，在免费看完了一全年的《阁楼》后，磨刀霍霍的索恩再次造访霍金，得知霍金的理念后，他唱起了反调，撑持裸奇点实在存在并可探测。此次打赌，他们还捎带上了加州理工传授普雷斯吉尔（J. Preskill）（图4）【7】。
图4：第二场赌局： *** 的奇点。1991年9月24日，霍金一人单挑索恩和普雷斯吉尔，就黑洞的裸奇点存否问题下注，1997年2月5日霍金认输，照片来源于加州理工学院。
两边约定，输的一方除了需要缴纳响应的赌金外，还要赠予赢家蔽体的衣物，并印上愿赌服输的信息。
然而，关于霍金来说，冲击接踵而至，一些诸如零量量标量场方面的研究工做相继打脸宇宙监视假设【8】。
1993年，英国物理学家乔普图克（M. Choptuk）操纵数值模拟的 *** 证实了四维宇宙中裸奇点的构成，不外，裸奇点的构成初始前提相当严苛，且不克不及存在丝毫误差。
1997年2月5号，霍金不能不再次认输，愿赌服输，他也确实为普雷斯基尔和索恩定造了衣服，但究竟心有不甜，他在衣服上印造了一名穿戴相当清冷的女郎，独一的遮羞布上挟带私货“天然厌恶裸奇点”（Nature abhors a naked singularity）。明明是成功者的普雷斯吉尔，被逼穿戴“战利品”，站在加州理工学院的讲台上面向1000人授课，其时的为难大要能够用脚趾头扣出一个全新的加州理工。
即便认输了，霍金仍然试图为宇宙监视假说背书，他发现所有反例无不依靠于极端的初始前提，与实在的动力学演化大相径庭，霍金坚信现实宇宙中绝不会显现裸奇点那种奇葩。
04 第三场赌局：信息悖论
大要打赌实的会上瘾，输掉赌局的第二天，裸奇点的教训还记忆犹新，霍金就迫不及待地和普雷斯吉尔、索恩签定下了第三个赌约——黑洞会销毁信息么？
寡所周知，黑洞将吞噬其视界范畴内的一切物量，包罗它们所照顾的信息，可霍金描述的黑洞蒸发过程却是因为测禁绝原理形成的实空涨落随机产生，其实不照顾任何原有信息。若是最末黑洞量量蒸发殆尽，其曾经吸纳的信息又将何往何从？那即是所谓的黑洞信息悖论。
那一回，索恩和霍金同一了战线，他们一致认为：一旦物体被吸进黑洞后，它将彻底“消逝”于可不雅世界，尔后，即使黑洞蒸发，也不会泄露任何信息，也就是说黑洞销毁了所有信息。但普雷斯吉尔却坚信信息守恒，被吞噬的信息势必通过某种机造从头释放出来。此次的赌注是一本赢家求之不得的百科全书。
在相持信息悖论近30年后，霍金本身改动了设法。2004年，在都柏林举行的“第17界国际广义相对论和万有引力大会”上，霍金认可本身有关信息问题的看点有误，他反复了一些早期计算后发现信息其实不会被黑洞销毁。
为此，霍金费了九牛二虎之力才兑现本身的赌约，赠予了棒球铁粉普雷斯吉尔一本长达2688页、重达7公斤的棒球百科全书（见图5），里面笔录了16000名职业棒球运发动的生平。据说，要从如斯厚重的书本中查询信息，大要就和从黑洞中提取信息一样困难。
图5：霍金认输的照片，图片来自【9】。
然而，霍金的新理论并未得到普及认同，他以至都没能说服老友索恩。
05 第四场赌局：天主粒子
2002年，屡赌屡输的霍金瞄上了希格斯粒子，此次和他打赌的是美国粒子物理学家凯恩（G. Kane）。
希格斯粒子（Higgs）由英国粒子物理学家希格斯（P. Higgs）等提出【10】，在量子物理的尺度模子中，付与根本粒子以量量。其时遍及认为希格斯粒子是尺度模子中最初一块缺失的拼图，也常被称之为天主粒子。
霍金公开声称本身不信赖天主粒子的存在，那一度引发了希格斯的强烈不满，他报复霍金做为科学名人却滥用公信力。那场口水仗在十年前方见分晓。
2012年，欧洲核子中心（CERN）发布发表，通过大型强子对碰机（LHC）证实了希格斯粒子的存在，希格斯也因而获得2013年的诺贝尔物理学奖。又双叒输了的霍金，直爽地付出了希格斯和凯恩每人100美圆的赌债。
至此，四场有凭有证的赌局，霍金悉数落败。现实上，2002年，霍金还曾与物理学家图罗克（N. Turok）就原初引力波和轮回宇宙问题打赌，并于2014年声称本身博得了赌局，不外，图罗克却至今不愿认输，因为霍金所谓的不雅测证据后来证实不外是一个乌龙球罢了【11】。
06 赌局难再，兰亭已矣
2018年3月14日，“好赌之徒”霍金与世长辞，赌局难在，兰亭已矣。现在，长逝在泰晤士河北岸的霍金，与牛顿、达尔文、卢瑟福等前辈邻接而居，不知那些青史留名的大科学家，能否也将在另一个时空为某个科学议题争论不休，打赌下注？
题外话：
在霍金生前的最初一本科普书brief answers to the big questions中，他留下如下寄语：
“不成只着眼于脚下而忘却星空之浩渺。眼所见，心甚至，不雅宇宙之澎湃，思宇宙之起源。
时刻连结一颗猎奇之心。
纵使世事艰苦，仍是要有所逃求，只要不轻言舍弃，定会有所成就。
最初，斗胆想像，勇塑将来！”
原文如下：
So remember to look up at the stars and not down at your feet.
Try to make sense of what you see and wonder about what makes the universe exist.
Be curious.
And however difficult life may seem, there is always something you can do and succeed at. It matters that you don’t just give up.
Unleash your imagination. Shape the future.”
参考文献：
1.
2.
3. /
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.