【宇宙】黑洞究竟黑在哪里？黑洞专家蔡荣根教授专访

黑洞专家蔡荣根教授专访《mangazine·名牌》邀请中科院理论物理研究所的蔡荣根教授解答了我们提出的几个关于黑洞的疑问。蔡教授的研究领域主要是引力理论、宇宙学、量子场论和超弦理论。近年来，在黑洞物理、弯曲时空场论、引力的全息性质、早期宇宙学、超弦理论等方面发表了上百篇论文，被引用二千余次。

mangazine·名牌：黑洞具有什么特征？关于黑洞的思想最早出现在什么时候？提出后有一个什么样的发展？

蔡荣根：从数学的方面来定义，黑洞是时空中的一个区域，这个区域的引力非常强，使得光也被吸引住了，在外部的观测者而言，只能是根本看不见的。从天体物理的角度来说，黑洞是一类特殊的天体，这一类恒星因为密度非常大，引力非常强，它只会吸收物质，不会发射出任何物质，我们是看不见的，所以叫做黑洞。

爱因斯坦在1915年建立了广义相对论，1916年，德国人卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）求解爱因斯坦方程的时候就发现了这样一类解，在描写时空的度规上面有一个奇异性。当时认为这样的物体是不现实的，就没有引起大家的重视。后来由于像中子星、脉冲星、白矮星这样一些广义相对论预言的天体在观测中被不断发现，人们就认为黑洞作为广义相对论的一个解，在自然中也应该存在着。1960年代，美国科学家约翰·惠勒命名了黑洞。

mangazine·名牌：所谓“霍金辐射”是怎么一回事？

蔡荣根：为什么现在很多人研究黑洞，最重要的原因就是“霍金辐射”的被发现。1973年，惠勒和他的研究生贝肯斯坦提出这样一个问题，如果黑洞不辐射物质，这样的一个现象是违反热力学第二定律的。在物理学的运动过程中，整个系统的熵应该是增加的。如果说物体掉到黑洞里就看不到了，它的信息就丢失了，那不就违反了热力学第二定律了吗？贝肯斯坦通过研究发现，黑洞应该有一个熵，使得黑洞吸收物体的过程仍然满足热力学第二定律。

在贝肯斯坦作出这个结论之时，同时期的霍金也在做黑洞的经典研究。他一开始是反对黑洞有熵这个概念的，不过非常意外的是，1974年他在研究了黑洞外面的量子力学之后发现，黑洞事实上不是黑的，而是有所谓的“霍金辐射”，也就是说，黑洞可以向外辐射物质。 “霍金辐射”是以热辐射的形式向外辐射出各种各样的粒子，这个辐射唯一的参数就是温度。但对黑洞而言，温度是非常非常低的，大概只有10-12开尔文。所以实验上是没有办法观测到的。也就是说，现实当中，我们没法看到黑洞的存在。

mangazine·名牌：怎样才能观察到黑洞？目前为止，科学家有没有观察到过这种天体？

蔡荣根：要观测黑洞，只能是借助观测它周围物体的运动来确定。因为黑洞本身有着非常强的吸引力，物体会被吸引到黑洞里面去。这个过程当中，被吸引的物体会发出强大的X射线，通过观察X射线，我们可以证实，吸引周围物体掉到当中去的这样一个区域，就可以被认为是一个黑洞。有很多这种天体存在的证据，每一个星系的中心，比如说我们银河系的中心，都有一个大的黑洞存在。

mangazine·名牌：研究黑洞对物理学有何意义？

蔡荣根：前面说到，“霍金辐射”是一个量子现象。自然界中有四种相互作用：强力、弱力、电磁力和引力。前三者物理学家都可以用量子理论很好地描写它，而引力的量子化仍然没有完成，那么如果想建立一个好的引力量子理论的话，必须考虑许多和量子理论相关的现象。“霍金辐射”把广义相对论、热力学、统计物理和引力量子化这些重要的问题连接在了一起，所以，通过研究黑洞物理，我们可以在接近这样一个目标的过程中，得到许多的启示和帮助。

mangazine·名牌：有的科幻小说讲人落入黑洞视界之后，时间就停止了，人也不会老去，这种幻想在理论上有可能吗？

蔡荣根：在理论上来说，这是错误的。一个物体掉到黑洞里面以后，时间不会停止，但会接近一个时间的奇异点。在这个奇异点上，一方面所有物理学的定律失效，另一方面在那个点附近，潮汐力非常之大，头上和脚上的受力差别也非常大，人会被活活撕裂。

mangazine·名牌：大型加速器会不会产生黑洞？

蔡荣根：这个问题和我们的时空维度有关系。如果我们的时空维度是四维的话，引力常数的能标是普朗克能标Ge，是非常非常高的，那么像欧洲核子物理研究中心2008年马上要上马的LHC也是不可能产生黑洞的，但如果我们的时空是高维的，1998年有物理学家提出“膜世界图像”，如果它是存在的话，高维的引力在Te维的话，那么LHC就有可能产生黑洞。现在有很多物理学家都在研究这个问题，就是LHC上有没有可能观测到黑洞，关键依赖于建立什么样的模型。我们的世界有可能存在那些看不到的维度。

mangazine·名牌：黑洞会不会实际上是不存在的，它和暗物质或者暗能量之间有联系吗？

蔡荣根：认为黑洞不存在的言论一直就存在，但这并非主流的观点，因为黑洞所造成的扭曲确实有被观察到，所以大部分理论物理学家还是相信它的存在。暗能量在宇宙中是均匀分布的，不成团，因此和黑洞肯定没有关联，但微观黑洞可能会是暗物质的一部分。

疯狂老师的疯狂学生们作为一位杰出的科学明星，惠勒留给这个世界的最大财富和最为持久的影响，应该是他“带大”的那些学生，其中不乏大名鼎鼎的理查德·费曼、休·艾弗雷特和贝肯斯坦。

理查德·费曼（Richard Feynman）“物理顽童”费曼是1965年诺贝尔物理奖得主，他1918年出生于美国纽约皇后区小镇法洛克卫，1939年毕业于麻省理工学院，进入普林斯顿大学念研究生，成为惠勒的学生。1943年进入洛斯阿拉莫斯国家实验室，也参加过曼哈顿计划。因在量子电动力学方面的贡献与施温格、朝永振一郎共同获得诺奖。之后他跟葛尔曼（Murray Gell-Mann）研究弱交互作用，1963年出版了备受推崇的一本教材《费曼物理学讲义》。他最被人津津乐道的表现是1986年受委托调查挑战者号航天飞机失事事件，在国会用一杯冰水和一只橡皮环说明了出事原因。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《美国科学人》杂志称为“20世纪最重要的科学家之一”的量子物理学家。作为《多世界理论》一书的作者，他曾激发了许多人的灵感创作出了众多科幻小说和电影。据说此君十几岁时就与爱因斯坦互相通信，争辩宇宙到底是随机的产物还是和谐统一的衍生物。后进入普林斯顿，1954年在惠勒的指导下完成博士论文，课题内容是在量子力学原理下阐释无限分支和裂分的平行宇宙——被惠勒称为“多世界”的一个概念。多世界诠释（many-worlds interpretation 或简称 MWI）是一种假定存在无数个平行世界，并以此来解释微观世界各种奇特现象的量子论。

艾弗雷特另一个耐人寻味的身份是摇滚乐队Eels主唱Mark Oliver Everett的老爸。

贝肯斯坦（Jacob D. Bekenstein）1970年，霍金发现了“面积定律”，即黑洞的“视界”面积永远不会缩减，似乎与热力学第二定律有异曲同工之妙，但他并没有在此基础上更进一步，因认为既然绝对温度为零，所以黑洞视界肯定与熵没有关系。黑洞熵的发现权最终被惠勒的犹太学生贝肯斯坦得到。《约翰·惠勒自传——物理历史与未来的见证者》中写道：有一天我在办公室里和贝肯斯坦半开玩笑说，当我把一杯热茶摆在一杯冰茶旁边，并让两杯茶的温度都变成常温时，我都会感到内疚罪恶感。因为这个举动虽然让世界保持能量守恒，却增加了世界的熵。我告诉贝肯斯坦，我的罪过会持续到时间的尽头，没有办法可以予以消灭或是回复原貌。不过如果有一颗黑洞漂流经过，我就可以将热茶及冰茶抛到黑洞之中。这样一来是不是会将我的犯罪证据完全洗刷干净?

这番论述对贝肯斯坦产生了关键性影响，促使他有一天对老师说出了一番话：“黑洞视界的面积不只是接近黑洞的熵——实际上就是黑洞的熵。”贝肯斯坦在1973年在《黑洞热力学》一文中正式发表了自己的观点。霍金对这位初出茅庐的小伙子根本不放在眼里，立即回应了一篇《黑洞力学中的四个原则》进行反驳。最后贝肯斯坦的想法被证明是对的。