它是全宇宙最神秘的存在。
繼續宇宙話題
上次分享了宇宙本身
宇宙的結局有多可怕？
（點擊可跳轉閱讀）
今天來領略宇宙中的神秘存在
——黑洞
本文轉載自微信公眾號「遠讀重洋」（ID：readabroad）
霍金說「黑洞」這個詞，法國人一開始是不喜歡的，因為太污了。
法語里的「黑洞」 叫 trou noir ，在一些當地土話裡面是罵人用的，類似我們中國人字幕里的「×」。
後來有人提出了關於黑洞的定理，起名叫「無毛定理」（No Hair Theorem），霍金證明了它。於是「黑洞無毛」的結論就變得更有名了。霍金說：這進一步加重了法國人的疑慮。
好了，大科學家開車到此結束，今天我們就來聊聊霍金眼中「無毛」的黑洞，4 分鐘帶你掃清關於黑洞的所有困惑。這些內容主要來自霍金 10 月份的新書
《終極問答》（Brief Answers to the Big Questions）。
這是霍金最新出版的一部遺作，在這本書里，霍金回答了他最為關心的 10 個終極問題，其中最濃墨重彩的問題，自然是跟他研究了大半輩子的黑洞有關。
我把這部分內容，整理成了普通人可以理解的 8 個「黑洞大問題」 ：
1、有人發現黑洞了嗎？
2、黑洞是黑的嗎？
3、黑洞是怎麼生出來的？
4、誰來直播一下，人掉進黑洞的過程？
5、黑洞「光吃不拉」嗎？
6、黑洞永生不死嗎？
7、黑洞會「焚書坑儒」嗎？
8、霍金為什麼要花大半輩子研究黑洞
明白了這些問題，哪怕是作為一個不研究黑洞的人，你都已經成了半個「黑洞行家」。
01.
有人發現黑洞了嗎？
是的，而且還不止一個。
比方說就在 10 月底，科學家宣布在銀河系的中心確認了一個巨大的黑洞，叫人馬座 A*，它的質量相當於 4 000 000 個太陽。
科學家還發現，有東西正繞著這個黑洞旋轉，因為離得稍微遠一些，所以沒有掉下去，旋轉的速度達到了光速的 30%，也就是每秒鐘 9 到 10 萬公里，相當於 1 秒鐘就能繞地球赤道 2 圈多。
02.
黑洞是黑的嗎？
不是。
黑的東西我們能看見，黑洞我們看不見。
看得見東西是因為東西能反射出光線，看不見黑洞是因為它反射不出來光線，它是「光の吞噬者」。
為什麼《星際穿越》之類的科幻電影能做出酷炫的黑洞來？
他們模擬的是黑洞的一種視覺效果，叫 「引力透鏡」 效應。
如果黑洞背後一個老遠的地方飄過來一顆發光的星球，那你站在黑洞面前，
能看到星球發出來的光在黑洞四周發生了扭曲，就好像光線穿過了一個透鏡的邊緣。
所以說，雖然黑洞我們看不見，但是我們能看到它產生的一些效果，能夠間接觀測到它。
比方說 2016 年刷屏的 「引力波」 ，那就是兩個黑洞合併成一個大黑洞的時候，觀測出來的現象。
03.
黑洞是怎麼生出來的？
恆星死了，黑洞生。
如果說像太陽這樣的大質量恆星，可以說是 「宇宙之子」 ，那黑洞就是「宇宙之子」們去世以後的一種樣子。
霍金認為，
如果一顆恆星，質量是太陽的 30 倍以上，那它就會變成黑洞。
因為這時候，一顆特別大的恆星，它的所有粒子之間，萬有引力的作用超過了一切，拚命地把大家往一塊兒聚，越聚越密，越密越聚，恆星就變成了「壓縮餅乾」，這個過程的學名叫「坍縮」，坍塌著往裡縮。
所以說，個兒小分量足，這就是黑洞的特點。你可以說它是個「小胖墩兒」。
這個小胖墩兒長什麼樣子？在很多科普書裡面，黑洞都給描繪成了
「漏斗」
的形狀，其實是不對的，之所以描繪成漏斗，是為了方便你理解一個東西，就是 「漏斗」 上的那個「大盤子」，它的學名叫「事件視界」。
這盤子是怎麼來的？打個比方，黑洞就像個封建社會的大家庭，任何家庭成員都不能往外跑，只能待在家裡。
而家裡最不老實的小兒子，成天惦記著往外跑，可是每次剛跑到村口兒就讓家裡人給抓回去了。
村口兒到家的距離是二里地。那麼從家出發，用這二里地的距離畫一個圓，就是整個家族的勢力範圍。
黑洞「漏斗」上那個「圓盤」，就是半徑二里地畫出來的圓。而小兒子就是腿最快的傢伙——光。
黑洞在事件視界的範圍內，剛好能把光給抓回來，所以其他東西就更跑不了了。
所以說畫成漏斗的形狀，是為了幫你更好地理解事件視界這個東西，但真實的黑洞不是漏斗形的，它到底長什麼樣呢？
《星際穿越》的科學顧問、也是霍金的好朋友、諾貝爾物理學獎得主基普·索恩（Kip Thorne）給描繪了一下，大概長這個樣子：
至於你覺得他設計的對不對、好不好看，這事兒就見仁見智了。
04.
誰來給直播一下，人掉進黑洞的過程？
很多人都很好奇，黑洞裡面有什麼？霍金說，你從外面瞅是啥也瞅不出來的。
所以這是個很尷尬的問題，沒有人能回答。因為能回答這個問題的人，應該已經掉進去了；而一個說話還能讓你聽見的人，他就壓根兒沒進去過。
那掉進黑洞里瞅瞅，是一種什麼滋味兒呢？霍金說：
如果你這輩子註定要去黑洞裡頭走一遭的話，記得對自己好一點，選一個大點兒的。因為掉進小的裡面會比較慘。
如果咱們直播一下人掉進黑洞里的過程，那就很像在大瀑布的頂兒上劃一隻小船，眼看就要掉下去了。大瀑布的頂兒上，就是咱們剛才說的「事件視界」外邊，在這兒發生的事件人們是可以看到的。掉下瀑布、掉進事件視界以後，外面的人就看不到了。
我們知道，越靠近瀑布的水流就越湍急，越靠近黑洞中心，引力就越大，
所以如果你是腳在前，頭在後的話，那肯定會先拉你的腳下去，結果就是你被一點點兒地做成了海底撈甩面，整個身體越扯越長，變成了一根鉛筆，一根絲線，越變越黯淡……
最後消失在人們的視線當中。
是不是人掉進每個黑洞里都會這麼慘呢？也不是，霍金說了，找個大的，就去咱剛才說的那個銀河系中間兒的大黑洞，400 萬個太陽的質量。那麼大的黑洞，你的小身板兒一米幾長都不算啥，
大黑洞用在你頭上和腳上的引力都差不多，所以你會好受一點兒，不會被扯得這麼厲害。
05.
黑洞「光吃不拉」嗎？
我承認這是一個粗魯的問題，但是話糙理不糙。
因為很多人覺得黑洞進去的東西就出不來了。
這種錯誤的觀點，也是霍金給我們掰回來的，他證明了：
黑洞不是「光吃不拉」，而是「邊吃邊吐」。吃進去的是「饅頭」，吐出來的是「麵粉」，這「麵粉」還有個名字，就叫「霍金輻射」（Hawking radiation），因為是霍金髮現的。
在黑洞周圍的空間里，有一對兒一對兒的粒子出現，這些粒子不是咱們生活里實打實的原子、分子，人們用各種先進的儀器觀察，也看不見它們，所以叫它們
「虛粒子」
，你可以說空間里有一對兒「虛粒子 CP 」，就像一對兒黑白雙煞，倆人要麼同生，要麼共死——撞到一塊兒灰飛煙滅了（下圖中的 1）。但是因為它們靠近了黑洞，這時候，這對虛粒子 CP 當中，有一個人可能就會先掉進黑洞里，而另一個人就「耍單兒」了，沒人跟她「共死」了。這時候，
耍單兒的這個，有可能跟另一半共赴黃泉，也掉進黑洞里
（下圖中的 2）
，但是它也有可能就逃了出去，逃到離黑洞遠遠的地方（下圖中的 3）。
有人可能會問了：既然這一對兒 CP 都是虛的、看不見的，那為什麼耍單兒的一個逃出來的時候，人類就可以「看」到它們、檢測到它們呢？這事兒就有點兒複雜了，我說一說你聽聽看，聽著懵也沒關係，不影響你對黑洞的理解：
這個虛粒子它逃出來的過程並不簡單，也是九死一生，
在黑洞強大的引力之下，這個虛粒子會被提升，變成實打實的粒子。
也就是黑洞變了個「魔術」，變出來一個實粒子。
一對兒虛粒子本來質量加起來是零：m1 + m2 = 0
但是一個實的粒子有正的質量：m1＞0
而質量不會憑空產生，
所以掉進黑洞的那個虛粒子就得是負的質量：m2＜0
它的質量給了黑洞，黑洞的質量（M）就會變小：M + m2 ＜M
也就是說，你站在黑洞旁邊兒看黑洞，它彷彿是「吐出來」一個實粒子，然後黑洞的質量還變小了。
霍金髮現，黑洞 「吐」 粒子的速度是很穩定的，就像水龍頭出水一樣。而所有吐出來的實粒子，就構成了著名的 「霍金輻射」——黑洞並不是有進無出，而彷彿是在邊吃邊吐，
它吐出來的實粒子，變成了威力強大的 X 射線和伽馬（γ）射線。
霍金說，像一座山這麼大個兒的黑洞，噴出來的射線，功率能達到 1000 萬兆瓦，這要是能用來發電的話，足夠整個地球用電的了。
06.
黑洞永生不死嗎？
知道了黑洞的「嘔吐」機制，你應該有個不祥的預感了，黑洞這麼 cool 的東西想要永生不死，也不過是痴人說夢罷了。
無數的虛粒子對兒一個掉進黑洞、一個逃離黑洞，會導致黑洞的質量變小，黑洞就像蒸發了一樣，個頭兒也會變得更小。
而且霍金說了，越小的黑洞，蒸發的速度就越快。
黑洞最終的結局是 —— 徹底蒸發乾凈，消失在宇宙當中。
這讓我想起花兒樂隊的洗腦神曲《嘻唰唰》里有兩句歌詞：
拿了我的給我送回來
吃了我的給我吐出來
可黑洞最坑爹的地方在於，即便它死了，拿了你的也不會送回來，吃了你的也不會吐出來。從黑洞里逃出來的粒子們，跟扔進去的東西一比，看上去半毛錢關係也沒有。
喂他吃電腦，給你吐射線；
喂他吃漢堡，給你吐射線；
喂他吃地球，給你吐射線；
喂他吃粑粑，還是給你吐射線……
如果你有什麼不可告人的秘密，最可靠的不是 「樹洞」 APP ，而是黑洞。
07.
黑洞真的會「焚書坑儒」嗎？
霍金的最後一篇論文說了什麼？
可能在一些人眼裡，黑洞就像「冬天裡的一把火」，燃燒了整個「沙漠」，是一片「不毛之地」。
過去科學家也這麼看，所有的黑洞沒什麼區別，就像所有的沙漠沒什麼區別。他們給黑洞起了個形象的稱號，說它
「無毛」（no hair）。
一個黑洞，不管它吃進去的是人，是動物，是電腦，是漢堡包，還是一顆星球，它表現出來的樣子好像都是一樣的，
只有三點不一樣，質量、角動量，還有電荷。
這樣一瞅，黑洞倒像是一個穿著毛衣跳舞的姑娘。
質量（M），大的小的？—— 姑娘是胖還是瘦？
角動量（a），黑洞是靜止的，還是旋轉的？—— 姑娘有沒有跳起來？
電荷（Q），黑洞帶不帶電？—— 姑娘的毛衣起不起靜電
一個黑洞和另一個黑洞，只有這 3 點區別。
至於姑娘肚子里裝了啥，是裝了頓晚飯，還是揣著個娃，不重要，你也看不見。
過去科學家一直相信這個 「無毛定理」 ，一個黑洞只由這 3 個東西決定。
但是問題就來了，因為黑洞把東西吞進去以後，關於這些東西的信息就憑空消失了。
這不科學，非常的不科學。
科學家相信，信息（information）是不會憑空丟失的。
信息真的丟了嗎？霍金一開始也這麼覺得，好吧，應該是真丟了。
直到他後來一折騰，自己把自己給推翻了，他說：
黑洞不是「無毛」的，
黑洞——就像一個已經謝了頂，但還沒有光頭的男人——他是有「軟毛」（soft hair）
的，這些軟毛的存在，證明黑洞沒有丟失信息，信息還是守恆的。
黑洞的軟毛，很有可能就是黑洞的第 4 個重要特徵 —— 一個穿著毛衣跳舞的姑娘，請不要忽視她的一頭 「秀髮」 。
霍金生命最後的歲月里，就在研究黑洞的「秀髮」，他的最後一篇論文也跟這個有關係，但是他的突然去世，導致他所開闢的這條道路，只能交給其他人在未來完成了。
弄懂了這個 「軟毛」 ，你就知道了關於黑洞的終極秘密。
從 2016 年開始，霍金就提出來「軟毛」這個說法，
所謂的「軟毛」是一些粒子。
每當有一個帶電的粒子掉進黑洞裡面，就會給黑洞增加一根軟毛，它可以是一個「柔軟的光子」（a soft photon），跑到離黑洞很遙遠的地方，跑到「大圓盤子」——事件視界的外頭。
打個不一定恰當的比方，你可以把軟毛看成是掉進黑洞的東西，在黑洞外頭留下來的一點蛛絲馬跡，一個拋向遠方的「二維碼」。
如果霍金的理論沒有問題，如果「軟毛」儲存信息的方式讓我們給破譯了，那麼「掃描二維碼」，應該就可以知道「掉進黑洞的粑粑長什麼樣子」。
過去很多人覺得黑洞丟掉的信息，很可能都通過這種方式保存了下來。
霍金去世以後，在他最新發表的論文里，霍金找到了一種新的方法，可以計算黑洞的軟毛里，到底儲存了多大的信息量。
而不同的黑洞，都可以擁有不同數量的「軟毛」。所以霍金說，黑洞不止 3 個特點：質量、電荷、角動量。很可能還有第 4 個特點，也就是這些軟毛。霍金還給它們起了個學名，叫
「超平移電荷」（supertranslation charge）
，感興趣的話你可以查查看。這個軟毛理論最了不起的地方就在於，它把我們研究黑洞的視野，給極大地拓寬了。我們過去一直惦記著：想探進去看看黑洞裡頭是什麼，卻忽略了，
黑洞儲存的信息不一定都在裡頭，而很有可能是有一部分留在了外頭。
在這個意義上，黑洞倒不像一個漩渦，而更像一棵蒲公英，開枝散葉，遍地生根。
如果將來有人能夠證明，霍金的軟毛理論是正確的，那麼黑洞信息丟失的問題可能就解決了。
不過最後我還得提醒你一點，霍金自己也說，他只是把解決這個問題的方向給指出來了，他做了一些基礎性的工作，但是黑洞信息丟失的問題到目前為止還沒有徹底解決，人類正在向最終的答案不斷邁進。
如果你能理解剛才說的這部分內容，相信我，全宇宙關於黑洞最前沿的知識，你都已經 get 到了。
08.
霍金為什麼要花大半輩子研究黑洞？
到這裡，如果你只是來看黑洞科普文的，那關於黑洞本身的知識我都已經介紹完了。接下來的一點內容，
我想跟你聊聊研究黑洞的意義。
一個黑洞，看不見、摸不著、離我們八丈遠、想找一個都費勁，研究它有什麼用？
為什麼霍金把大半輩子的智慧，都給了這看起來很不靠譜的東西？
我們普通人，理解黑洞是怎麼回事，跟我的個人生活有關係嗎？
在這兒，我想說：沒錯，
黑洞一點也不靠譜，到現在也沒弄清楚，而且未來可能相當一段時間，都不會完全弄清楚，
知道黑洞的知識，也不能給你的朋友聚會提供什麼談資，更不能讓你的老闆賞識你。可是它依然值得研究。
因為我們是人類。
因為黑洞太特殊了，它有可能揭示出宇宙的終極秘密。
在整個 20 世紀，有了愛因斯坦的相對論，有了量子力學以後，很多科學家都在追求一件事：
找到一套「萬有理論」（Theory of Everything，簡稱ToE）。
什麼是「萬有理論」？電影里的霍金親自給出了答案：
One
Single
Equation.
對於科學家來說，沒有什麼比這個更誘人的了。
所以經過無數科學家的努力，有兩套理論，可以看成是萬有理論的基礎：
廣義相對論，和量子場論。
它倆加在一起，幾乎就要實現霍金的夢想了。
但可惜的是，這兩套理論水火不容。
廣義相對論在這裡適用，在那裡就不適用；
量子場論在這裡不行，卻在那裡行。
換句話說，它倆不可能是同時正確的。
比方說
在尺寸特別小的地方，
在質量特別大的地方，
這種劇烈的矛盾衝突就很明顯。
就像宇宙大爆炸開始的那一刻，
就像在黑洞里。
宇宙大爆炸那一刻已經過去了，而黑洞還在。
所以黑洞，是萬有理論最好的試驗場之一。
如果一套理論，放在大尺度的地方沒問題，放在黑洞里還能不出問題，那它有可能就是我們要找的萬有理論。
這也就是為什麼關於霍金的電影，不叫《霍金傳》，不叫《科學家的故事》，而叫
《萬物理論》（The Theory of Everything）。
電影，就像我們未實現的夢。
而
萬有理論，就是霍金一生都沒有做完的夢。
現在，他要到天上去做了。
有人會問：我們人類，真的能找到一個萬有理論嗎？用一個公式，解釋整個宇宙？
有人會說：這是不可能的，是痴人說夢，是理工男統治世界的妄想。
而我想說：如果你連想都不敢想，你怎麼可能找到它呢？
這個社會上有很多現實的人，他們總是告訴我們：什麼事情是不可能的。他們安於現狀。
如果說這些人跟霍金的差距在什麼地方，我覺得是兩個字：
視域（Vision）。
視域，不是去過多少國家、開了多少眼界、拓寬多少視野；
視域（Vision），是人把現實世界 籌划到想像世界的能力。
我們看到這世上每一個了不起的人，霍金、喬布斯、馬雲……他們為什麼了不起？
因為他們看到了我們沒看到的，想到了我們沒想到的，做到了我們沒做到的。他們的視域和我們的不一樣。
你說霍金搞宇宙學有用嗎？沒用，一點用也沒有。霍金當年寫一本《時間簡史》，是因為當宇宙學老師掙得少，想拿這本書的稿費貼補貼補家裡，因為妻子一個人照顧這個家，實在是太辛苦了。
可你說宇宙學就真的沒有用嗎？如果說人類視域的極限在哪裡，那除了浩瀚的宇宙星空，你還能給出第二個答案嗎？
燕雀，安知鴻鵠之志哉？
燕雀，安知鴻鵠之智哉？
不要讓有限的智識限制了你的想像力，
因為宇宙的盡頭在哪裡，你的 Vision 就在哪裡。
想看更多宇宙、地球、人類、中國或世界歷史，點擊公眾號底部「看往期」菜單中的「中國歷史」或「世界歷史」，也可在公眾號回復「中國」或「世界」
，自行查閱。長按下面二維碼關注我
還想了解我？點「閱讀原文」
※如果有一千萬，你想做啥？沈周說：我要回家畫畫去。
※宇宙的結局有多可怕？
TAG:坐井觀天 |