【宇宙】黑洞究竟黑在哪里？黑洞專家蔡榮根教授專訪

黑洞專家蔡榮根教授專訪《mangazine·名牌》邀請中科院理論物理研究所的蔡榮根教授解答了我們提出的幾個關于黑洞的疑問。蔡教授的研究領域主要是引力理論、宇宙學、量子場論和超弦理論。近年來，在黑洞物理、彎曲時空場論、引力的全息性質、早期宇宙學、超弦理論等方面發表了上百篇論文，被引用二千余次。

mangazine·名牌：黑洞具有什么特征？關于黑洞的思想最早出現在什么時候？提出后有一個什么樣的發展？

蔡榮根：從數學的方面來定義，黑洞是時空中的一個區域，這個區域的引力非常強，使得光也被吸引住了，在外部的觀測者而言，只能是根本看不見的。從天體物理的角度來說，黑洞是一類特殊的天體，這一類恒星因為密度非常大，引力非常強，它只會吸收物質，不會發射出任何物質，我們是看不見的，所以叫做黑洞。

愛因斯坦在1915年建立了廣義相對論，1916年，德國人卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）求解愛因斯坦方程的時候就發現了這樣一類解，在描寫時空的度規上面有一個奇異性。當時認為這樣的物體是不現實的，就沒有引起大家的重視。后來由于像中子星、脈沖星、白矮星這樣一些廣義相對論預言的天體在觀測中被不斷發現，人們就認為黑洞作為廣義相對論的一個解，在自然中也應該存在著。1960年代，美國科學家約翰·惠勒命名了黑洞。

mangazine·名牌：所謂“霍金輻射”是怎么一回事？

蔡榮根：為什么現在很多人研究黑洞，最重要的原因就是“霍金輻射”的被發現。1973年，惠勒和他的研究生貝肯斯坦提出這樣一個問題，如果黑洞不輻射物質，這樣的一個現象是違反熱力學第二定律的。在物理學的運動過程中，整個系統的熵應該是增加的。如果說物體掉到黑洞里就看不到了，它的信息就丟失了，那不就違反了熱力學第二定律了嗎？貝肯斯坦通過研究發現，黑洞應該有一個熵，使得黑洞吸收物體的過程仍然滿足熱力學第二定律。

在貝肯斯坦作出這個結論之時，同時期的霍金也在做黑洞的經典研究。他一開始是反對黑洞有熵這個概念的，不過非常意外的是，1974年他在研究了黑洞外面的量子力學之后發現，黑洞事實上不是黑的，而是有所謂的“霍金輻射”，也就是說，黑洞可以向外輻射物質。 “霍金輻射”是以熱輻射的形式向外輻射出各種各樣的粒子，這個輻射唯一的參數就是溫度。但對黑洞而言，溫度是非常非常低的，大概只有10-12開爾文。所以實驗上是沒有辦法觀測到的。也就是說，現實當中，我們沒法看到黑洞的存在。

mangazine·名牌：怎樣才能觀察到黑洞？目前為止，科學家有沒有觀察到過這種天體？

蔡榮根：要觀測黑洞，只能是借助觀測它周圍物體的運動來確定。因為黑洞本身有著非常強的吸引力，物體會被吸引到黑洞里面去。這個過程當中，被吸引的物體會發出強大的X射線，通過觀察X射線，我們可以證實，吸引周圍物體掉到當中去的這樣一個區域，就可以被認為是一個黑洞。有很多這種天體存在的證據，每一個星系的中心，比如說我們銀河系的中心，都有一個大的黑洞存在。

mangazine·名牌：研究黑洞對物理學有何意義？

蔡榮根：前面說到，“霍金輻射”是一個量子現象。自然界中有四種相互作用：強力、弱力、電磁力和引力。前三者物理學家都可以用量子理論很好地描寫它，而引力的量子化仍然沒有完成，那么如果想建立一個好的引力量子理論的話，必須考慮許多和量子理論相關的現象。“霍金輻射”把廣義相對論、熱力學、統計物理和引力量子化這些重要的問題連接在了一起，所以，通過研究黑洞物理，我們可以在接近這樣一個目標的過程中，得到許多的啟示和幫助。

mangazine·名牌：有的科幻小說講人落入黑洞視界之后，時間就停止了，人也不會老去，這種幻想在理論上有可能嗎？

蔡榮根：在理論上來說，這是錯誤的。一個物體掉到黑洞里面以后，時間不會停止，但會接近一個時間的奇異點。在這個奇異點上，一方面所有物理學的定律失效，另一方面在那個點附近，潮汐力非常之大，頭上和腳上的受力差別也非常大，人會被活活撕裂。

mangazine·名牌：大型加速器會不會產生黑洞？

蔡榮根：這個問題和我們的時空維度有關系。如果我們的時空維度是四維的話，引力常數的能標是普朗克能標Ge，是非常非常高的，那么像歐洲核子物理研究中心2008年馬上要上馬的LHC也是不可能產生黑洞的，但如果我們的時空是高維的，1998年有物理學家提出“膜世界圖像”，如果它是存在的話，高維的引力在Te維的話，那么LHC就有可能產生黑洞?，F在有很多物理學家都在研究這個問題，就是LHC上有沒有可能觀測到黑洞，關鍵依賴于建立什么樣的模型。我們的世界有可能存在那些看不到的維度。

mangazine·名牌：黑洞會不會實際上是不存在的，它和暗物質或者暗能量之間有聯系嗎？

蔡榮根：認為黑洞不存在的言論一直就存在，但這并非主流的觀點，因為黑洞所造成的扭曲確實有被觀察到，所以大部分理論物理學家還是相信它的存在。暗能量在宇宙中是均勻分布的，不成團，因此和黑洞肯定沒有關聯，但微觀黑洞可能會是暗物質的一部分。

瘋狂老師的瘋狂學生們作為一位杰出的科學明星，惠勒留給這個世界的最大財富和最為持久的影響，應該是他“帶大”的那些學生，其中不乏大名鼎鼎的理查德·費曼、休·艾弗雷特和貝肯斯坦。

理查德·費曼（Richard Feynman）“物理頑童”費曼是1965年諾貝爾物理獎得主，他1918年出生于美國紐約皇后區小鎮法洛克衛，1939年畢業于麻省理工學院，進入普林斯頓大學念研究生，成為惠勒的學生。1943年進入洛斯阿拉莫斯國家實驗室，也參加過曼哈頓計劃。因在量子電動力學方面的貢獻與施溫格、朝永振一郎共同獲得諾獎。之后他跟葛爾曼（Murray Gell-Mann）研究弱交互作用，1963年出版了備受推崇的一本教材《費曼物理學講義》。他最被人津津樂道的表現是1986年受委托調查挑戰者號航天飛機失事事件，在國會用一杯冰水和一只橡皮環說明了出事原因。1988年2月15日，因腹膜癌逝世。

休·艾弗雷特（Hugh Everett）艾弗雷特，一位被《美國科學人》雜志稱為“20世紀最重要的科學家之一”的量子物理學家。作為《多世界理論》一書的作者，他曾激發了許多人的靈感創作出了眾多科幻小說和電影。據說此君十幾歲時就與愛因斯坦互相通信，爭辯宇宙到底是隨機的產物還是和諧統一的衍生物。后進入普林斯頓，1954年在惠勒的指導下完成博士論文，課題內容是在量子力學原理下闡釋無限分支和裂分的平行宇宙——被惠勒稱為“多世界”的一個概念。多世界詮釋（many-worlds interpretation 或簡稱 MWI）是一種假定存在無數個平行世界，并以此來解釋微觀世界各種奇特現象的量子論。

艾弗雷特另一個耐人尋味的身份是搖滾樂隊Eels主唱Mark Oliver Everett的老爸。

貝肯斯坦（Jacob D. Bekenstein）1970年，霍金發現了“面積定律”，即黑洞的“視界”面積永遠不會縮減，似乎與熱力學第二定律有異曲同工之妙，但他并沒有在此基礎上更進一步，因認為既然絕對溫度為零，所以黑洞視界肯定與熵沒有關系。黑洞熵的發現權最終被惠勒的猶太學生貝肯斯坦得到?！都s翰·惠勒自傳——物理歷史與未來的見證者》中寫道：有一天我在辦公室里和貝肯斯坦半開玩笑說，當我把一杯熱茶擺在一杯冰茶旁邊，并讓兩杯茶的溫度都變成常溫時，我都會感到內疚罪惡感。因為這個舉動雖然讓世界保持能量守恒，卻增加了世界的熵。我告訴貝肯斯坦，我的罪過會持續到時間的盡頭，沒有辦法可以予以消滅或是回復原貌。不過如果有一顆黑洞漂流經過，我就可以將熱茶及冰茶拋到黑洞之中。這樣一來是不是會將我的犯罪證據完全洗刷干凈?

這番論述對貝肯斯坦產生了關鍵性影響，促使他有一天對老師說出了一番話：“黑洞視界的面積不只是接近黑洞的熵——實際上就是黑洞的熵。”貝肯斯坦在1973年在《黑洞熱力學》一文中正式發表了自己的觀點?；艚饘@位初出茅廬的小伙子根本不放在眼里，立即回應了一篇《黑洞力學中的四個原則》進行反駁。最后貝肯斯坦的想法被證明是對的。