霍金,这位科学界的传奇人物,除了身残志坚的众多事迹外,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,乐在其中。至今,他的办公室还保留着三个装裱好的赌局凭证(见图1)。有意思的是,这些赌局几乎都直指黑洞探索的核心问题。本文旨在揭开这位举世皆知的大科学家严肃面纱下的另一面,带大家回顾高深莫测的黑洞科学背后那些有趣的旧闻,一窥那个牛人辈出的黄金时代。
1905年,在德国《物理学年鉴》第四期上刊登了一篇名为《论动体的电动力学》的文章,拉开了相对论时代的序幕。在这篇论文中,爱因斯坦提出了光速不变原理和狭义相对性原理,打破了绝对的时空观,构建了全新的时空纲领。十年后,爱因斯坦近一步认识到了引力与时空关联的本质——时空决定物质如何运动,物质决定时空如何弯曲。其数学表达,即为爱因斯坦引力场方程。
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,物理思想精辟,彻底革新了时空认知,唯一的缺点就是求解难度太大。
此后几十年间,黑洞研究进展缓慢。其实,重大的进展还是有的,只是未被广泛认可。比如,在1935年的英国皇家天文学会的会议上,年轻的钱德拉塞卡介绍了自己有关恒星稳定性的研究,这项研究事关恒星演化的终极命运,却遭到了当时的权威爱丁顿的公开嘲笑。
当恒星迈向衰亡燃料耗尽后,热平衡难以为继,如何构建新的平衡?答案是电子。逐渐冷却的恒星将在其自引力作用下坍缩,受到高度挤压的电子由于泡利不相容原理相互排斥,从而平衡引力,阻止星体的进一步塌缩。这样一种依赖电子简并压稳定存在的天体,即为白矮星。
20世纪60年代,黑洞研究的命运迎来了重大转机。首先,1963年新西兰的数学家克尔再次精确求解爱因斯坦场方程,描绘了一种带有自旋的黑洞。
相比于静态的史瓦西黑洞,克尔黑洞更接近于实际情况。一年后,美国天文学家贾科尼意外地探测到一个神秘的X射线源,这个X射线源靠近银河系的中心,位于天鹅座方向,被命名为天鹅座X-1。自此,天鹅座X-1成为人类历史上发现的第一个黑洞候选体。黑洞终于走上台前,备受瞩目。大量雄心勃勃的物理学家、天文学家对其投入了高度的研究热情,盛筵开启。
1974年,已在黑洞研究领域颇有建树的霍金,和美国理论物理学家索恩打了个赌,赌天鹅座X-1双星系统是否存在黑洞。然而让人意外的是,霍金居然在赌局中否定了黑洞的存在。十几年后,在那本畅销全球的《时间简史》中,霍金如此描述自己的这场赌局:“对我来说,这场赌局就是一份保单。
我在黑洞方面做了很多工作,如果最终证实黑洞并不存在,那么我的工作将毫无意义,但起码赢了赌局,聊以安慰,还可以免费订阅四年《私家侦探》。当时,我们认为天鹅座X-1有80%的可能性是一个黑洞。现在,这个可能性达到了95%,当然,还没到盖棺定论的时候”。
20世纪70年代,霍金和英国物理学家、数学家彭罗斯共同证明了奇点定理,简而言之世间黑洞皆有奇点。
而所谓奇点,可以简单理解为密度和时空曲率发散至无穷大的黑洞中心点,在这一点上,时间停滞,现有物理定律失效。20世纪70年代,霍金发现在量子理论的语境下,黑洞将不断向视界外辐射光子以及少量带质量粒子,从而损失质量。这个发现,即为黑洞蒸发。黑洞质量越小,蒸发速度越快,直至消亡。那么,一个不断蒸发的黑洞是否终将迎来一个裸露的奇点?
这是个很可怕的可能性,因为一个裸露的奇点将向周围扩散不确定信息,物理定律将广泛失效,没有任何一位期待利用物理定律预言未来的物理学家乐见这样的结果。
2002年,屡赌屡输的霍金瞄上了希格斯粒子,这次和他打赌的是美国粒子物理学家凯恩。希格斯粒子由英国粒子物理学家希格斯等提出,在量子物理的标准模型中,赋予基本粒子以质量。当时普遍认为希格斯粒子是标准模型中最后一块缺失的拼图,也常被称之为上帝粒子。
霍金公开宣称自己不相信上帝粒子的存在,这一度引发了希格斯的强烈不满,他抨击霍金作为科学名人却滥用公信力。这场口水仗在十年后方见分晓。2012年,欧洲核子中心宣布,通过大型强子对撞机证实了希格斯粒子的存在,希格斯也因此获得2013年的诺贝尔物理学奖。又双叒输了的霍金,爽快地支付了希格斯和凯恩每人100美元的赌债。
2018年3月14日,“好赌之徒”霍金与世长辞,赌局难在,兰亭已矣。如今,长眠在泰晤士河北岸的霍金,与牛顿、达尔文、卢瑟福等前辈毗邻而居,不知这些青史留名的大科学家,是否也将在另一个时空为某个科学议题争论不休,打赌下注?