几年前的“霍金认错”有道理吗?
——对所谓“黑洞照片”的一点看法
2019-01-03黄志洵
黄志洵
(中国传媒大学信息工程学院,北京100024)
2019年4月10日的电讯说,一个国际团队在全球6个地点同时召开记者会,宣布获得了首张黑洞照片(其实是黑洞轮廓)。由此又说广义相对论得到印证,而且这是诺贝尔级成果。这次的宣传攻势很大,可能目标是今年的诺贝尔物理奖。据媒体的说法,首次向人类展示自己真容的黑洞位于室女座超巨椭圆星系M87(Messier 87)中心,距离地球大约5500万光年。从照片上看这是一个中心为黑色的明亮环状结构,黑色部分是黑洞投下的“阴影”(shadow),明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘(accretion disk)。媒体的报道又说,黑洞并不是一个empty space(空荡荡的空间),而是a great amount of matter packed into a very small area(大量物质堆积在一个极小的区域),所以是supermassive(超大质量)的。这次观测到的黑洞质量是太阳的65亿倍。
据说,拍照的工具是“Event Horizon Telescope”(“事件视界望远镜”,简称EHT)。那么什么是event horizon?在黑洞周围,光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或事件视界。事件视界实际是指event(事件)被观测到的界限。目前,超越事件视界的景象,也就是黑洞内部,是无法被观测到的。
许多文章都说黑洞是大师Albert Einstein的预期。没有一份材料提到过,Einstein其实并不认同黑洞存在。此外,也无人提及曾经的科学泰斗Stephan Hawking,这位以研究黑洞成名的剑桥大学教授最终对黑洞持否定态度。……这篇短文是在又一个宣传造势高潮中谈点看法,供大家参考。
1 从经典黑洞到广义相对论(GR)黑洞
1783年,英国人John Michell向英国皇家学会报告了一个科学预言:宇宙中可能存在“暗星”。按照Newton的万有引力定律,可以计算出物质粒子从某个星体逃离时所必须的最小速度。例如对地球而言,逃逸速度为11km/s。他推论,宇宙中可能存在一种black star(或dark star),其特点是光微粒(当时尚无光子概念)均被该天体的引力拉回,故地球人看不到它们。13年后,法国数学家Pierre Simon Laplace提出了类似的设想。……这是今天的黑洞(black holes)概念的早期形式。但这并不是现在所说的东西。
今天所谓黑洞始于德国人Karl Schwarzschild(以下称史瓦西),他看到1915年Einstein发表于《普鲁士科学院会议报告》上的广义相对论(GR),并立即对其引力场方程(EGFE)在简单情况下的求解做出了贡献。他假定:①星体为球状;②星体无旋转;③星体具有均匀质量;④引力场是静止的。所以,虽然我们说EGFE非常复杂实际上无法求解,但是史瓦西却搞出了一个近似的(简化条件下的)解析解。史瓦西解写作
式中r是致密星体半径,M是质量,G是万有引力常数,θ、φ为球坐标相应的角度,t是时间。故度规张量元素为
等等;取下式代表一个球面:
r=rs=2GM
在该球面上g00=0,g11=∞,等等;rs叫史瓦西半径。现在rs是解的奇点,在这个半径以内的物体,即使速度等于光速也没有足够的能量克服引力而飞出,即使光子也不能飞出这个区域,所以这个区域叫“黑洞”。在黑洞边界,时空度规无限大发散;此即黑洞的奇点问题。另一问题是,当r 总之,r 值得注意的是,GR的发明人Einstein并不认为黑洞存在。他在1939年的论文中论述了他的想法,表示在物理实在中不会有史瓦西奇点。但现在的主流物理界不承认他的意见,认为那更多的是来自一种直觉。……王令隽教授则认为,Einstein持这种态度是因为黑洞边界上的无限大发散(以及黑洞内的时空反转)都是悖论,承认黑洞存在就会毁掉整个GR理论。 20世纪70年代,身残志不残的著名物理学家Stephan.Hawking出场了。1972年至1973年他提出了关于黑洞过程不可逆性的黑洞动力学第二定律,也叫视界面积不减定理。1974年他提出黑洞有辐射,这是因为量子理论决定了黑洞表面真空涨落造成虚粒子对,负能虚粒子经由隧道效应而进入黑洞,正能粒子穿过外引力而辐射出来。因此,远处的观察者有可能观察到黑洞。……Hawking radiation理论使他成为一位明星或权威,也推动黑洞研究进入高潮。这样,研究人员越来越多,似乎产业化了。这些追随者没想到,Hawking在晚年自己把这一切推翻,宣称黑洞并不存在。但黑洞物理学家们并不认账。黑洞怎能就没有了?一定要证明它存在。 2004年Hawking公开承认自己在30年前犯了错误。2014年,他先在与《Nature》杂志人员的访谈中说,虽然经典理论认为物质无法从黑洞中脱逃,但在量子理论中却允许能量和信息从黑洞中出来。当年1月22日,Hawking在arXiv预印本网站贴出文章说,根本不存在黑洞边界(event horizon),视界线与量子理论矛盾,黑洞是没有的。黑洞理论是自己一生中的最大错误(biggest blunder)。……由于Hawking是黑洞物理学的领军人物,他的认错引发了轩然大波。由于考虑自己的个人利益,也由于在量子力学(QM)与相对论的矛盾中Hawking公然站到了QM一边,Hawking的追随者们愤怒地起来责怪他。例如美国UC-Berkeley的R.Bousso说:“Hawking的认错令人憎恨”。 今天,宣布“拍到黑洞照片”的人们,自然避免提到Hawking。既然Hawking早已去世,死人是不会站出来辩论的;只要从正面对成果做宣传即可。 可以说,没有人否认这个国际团队拍出了一张宇宙中某个天体的照片。问题在于这是什么照片?是否某种黑暗天体,怎么证明它就是黑洞?而且,怎么证明它不是经典黑洞,而是GR黑洞?……带着这些问题,笔者征询了两位物理学家(王令隽教授、梅晓春研究员)的意见。他们都有许多物理学论文、书籍行世,在国际上也有一定影响。王令隽先生回答说: “我们怎么正确地认识这张公布了的EHT黑洞照片?其实很简单,这就是一张天体照片,和广义相对论毫无关系,也根本不能作为证实广义相对论的直接证据。要和广义相对论扯上关系,必须证明这张照片上的东西具有相对论黑洞的两个本质特征:①在所认定的所谓“黑洞”边界(Event Horizon)上时空度规无限大发散;②在这个边界以内时间与空间反转。如果不能证明这两点,那就根本不能说这张照片就是广义相对论黑洞。这张照片是地球上8个射电天文台的亚毫米波观测数据由电脑合成的照片,信号不在可见光频段,所以所有的彩色都不是直接观测的,而是根据数学模型模拟计算出来的。但是,这不是我要说的根本问题,我无意挑战EHT团队的敬业精神和学术诚实,也无意质疑这张照片的真实性。我也不排除宇宙间有非常大的黑色星云或者黑色星体存在的可能性。但是,这些和广义相对论黑洞毫无关系,除非你能证明你所观察到的天体具有边界上的无穷大发散和内部的时空反转。 黑洞巨星和权威霍金晚年否定黑洞的存在,认为黑洞研究是他一生铸成的大错。但也不能阻挡后人继续进行黑洞的研究项目,因为黑洞研究已然成为了一个国际性的产业。任何一个产业都有自我肯定和力求生存的本能。所以,黑洞研究和大爆炸理论研究还会在学术界存在相当长的时期。” 在电子邮件中,王教授强调说:“黑色天体不一定是广义相对论意义上的黑洞。广义相对论意义上的黑洞必须符合两个本质特性:①在黑洞的边界上引力无穷大:②在黑洞里面时间和空间反转,时间变成空间,空间变成时间。如果不能证实这两点本质特性,仅仅展示一张黑圈圈图片,不足以说明那就是黑洞,就认为验证了广义相对论。” 因此,他否认黑洞存在,指的是宇宙中不存在符合GR定义的黑洞。但这里有一个问题:既然EHT实验团队有理论团队为实验提供理论准备,难道他们没有证明所观察的天体具有广义相对论黑洞的本质特性?王先生认为绝对没有;因为实际上没有任何人能证明一个边界上度规无穷大发散而边界内时空反转的天体的存在。 梅晓春先生的见解与王教授类似;他说,Newton理论中就有黑洞的存在(半径与广义相对论黑洞一样),没有视界。因此,即使有黑洞,也只能是Newton黑洞,不可能是Einstein黑洞。后者是奇异性黑洞,有一个视界。物质全部压缩成奇点,视界是一个球面,视界内是真空,什么都没有。这样的怪物是不可能存在的。这个照片没有证明是Einstein黑洞,看不到视界的存在。总之,目前公布的黑洞照片,是一个数据合成的东西,电脑上搞出来的想象物,根本不是人的眼睛看到样子。这个黑洞相片的圆圈周围有大量的光芒,凭什么正面就没有光?这是不可能的,黑洞只能躲在球面的光亮中,不可能对地球网开一面。…… 总之,两位专家都对“黑洞照片”持否定态度,认为历史今后会有不同的评价。 本文提出的问题涉及两个层面:纯学术的方面和西方科学界的社会状态问题。先看前者;我们知道,Einstein引力场方程(EGFE)具有非常复杂的特性,实际上不可求解。百年前史瓦西找到了一个最简单的边界条件下的解,也就是球对称质量的静止引力场。打那以后,理论并无真正的进展。其次,尽管现在的国际团队不提及Hawking,但他的作用和影响仍然存在。物理学家霍金职业生涯早期对物理学作出的最大贡献是提出“霍金辐射”概念,即认为黑洞实际上并不黑,而是会随时间推移散发出少量辐射。这一结果极为重要,因为它表明黑洞一旦停止“生长”,将会因能量损失而开始非常缓慢地收缩。然而在当前,事件视界望远镜项目并没有对这一理论予以证实或否认。至于Hawking在晚年否定黑洞存在,国际团队既不愿、也不会提及。情况给人的印象是,EHT研究的理论支撑还很不够。 不仅如此,笔者认为“霍金认错”实际上暴露出相对论与量子理论之间的巨大矛盾。据报道,已有美国天体物理学家提出这个问题——广义相对论与量子力学如何契合?量子引力仍是物理学中最重要的未解之谜之一。专家指出,这张照片一点也不令人惊讶,因为它没有提供可能弥合这两个领域之间鸿沟的新物理学解释。 现在考虑社会层面的问题。应当指出,科学界并非一池清水,科学家也不都是谦谦君子。笔者早就注意到,近年来西方科学界(特别在理论物理界)乱象频生。在“黑洞是否真的存在”悬而未决时,美国LIGO竟于2016年宣布,他们在2015年“观测到两个黑洞碰撞(合并)造成的引力波”。这种缺乏实证的说法竟然在2017年获颁Nobel物理奖,让人惊讶但又不奇怪。 EHT作为一个国际合作项目,如从建立各射电天文台的时间算起,也是几十年的努力了。这么大的阵仗,仅凭霍金一句话,不可能就停下来。发表一张宣称是黑洞的照片,对于被大爆炸宇宙学控制而处境日益困难的天体物理学界,无疑是一剂强心针。媒体热炒,是非常自然的。不少人估计这一工作会赢得诺贝尔奖,也是完全可能的。此前有LIGO引力波实验赢得了诺贝尔奖,也有LHC的上帝粒子探测实验获得了诺贝尔奖,都是先例。像这种大规模的国际合作项目,无论人力物力都是其他科研项目无法比的。对其肯定与否,直接影响到社会对此类超大型科研(Big Science)的进一步支持。……这是西方科学界目前的情况,不像洁身自好的科学家想的那么简单。 必须承认西方科学界既往的辉煌,计量学中的国际单位制(SI)中的几十个参数和单位,都以西方科学家的姓氏命名。但现在的情况不同,搞科学已是动用大资金的大工程,必须有政府、企业家及公众的支持。大笔经费已经花掉了,不出成果就无法交代。如果失去支持,许多科学家、工程师和技术工人甚至会失业。……正是这些情况造成了笔者所谓的“西方科学界乱象”和“变了味的诺奖”,也是我们反对继续紧跟西方的一个重要原因。 从本文内容可知,黑洞概念来自数学分析。科学研究当然离不开数学,但数学不能代替物理实在。究竟宇宙中有没有黑洞,权威人物(如Einstein、Hawking)仍然心中存疑;这个问题尚未完全解决。 EHT团队可能说,照片就是黑洞存在的铁证。然而对此笔者尚不能认同——首先,你必须证明这不是某种黑色天体;其次,你必须证明它不是经典黑洞(即暗星),而是GR黑洞(满足两个理论要求);再次,你必须证明Hawking晚年否定黑洞的理由是错的。……如果这些证据都还没有,那么我们只能说“这是一张天体照片”。这不是贬低EHT团队的工作,而是自然科学的逻辑性规则和实证性原则促使我们提出的严格要求。 回过头来看GR理论,虽然从提出至今已有104年,而且早就写入大学教科书;但至今仍然在讨论其正确性,质疑之声时有所闻。英国天文学家A.Eddington(1882-1944)领导了1919年的著名实验,利用日蚀的机会观测了经过太阳的光线弯曲,便宣告GR理论已被证实,英国《泰晤士报》就在头版报道,成为轰动世界的新闻。其实日冕像地球大气一样会使光线折射弯曲,如此简单的道理竟被人们忽视了。有一位德国教授Ditrisch对1919年实验曾评论说:“承认结论不等于承认理由;该实验虽重要,但不能说Einstein理论已被证实”;这属于少数人的清醒声音。 在当代中国,改革开放使建设事业取得了伟大成就;其中也包含向西方科技界学习的作用。但现在我们不必(也不可)再迷信及紧跟西方,独立思考仍然重要——这就是本文的结论。 致谢:在写这篇短文时,曾与在美国工作的王令隽教授和中国物理学家梅晓春研究员讨论,获得很大启发;谨致谢忱。2 霍金(S.Hawking):著名黑洞物理学家在晚年否定黑洞存在
3 对EHT黑洞照片的评论
4 在两个层面上的思考
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