霍金花了半个世纪研究它！堪称全宇宙最神秘的存在… | 远读重洋

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霍金说“黑洞”这个词，法国人一开始是不喜欢的，因为太污了。

法语里的 “黑洞” 叫 trou noir ，在一些当地土话里面是骂人用的，类似我们中国人字幕里的“×”，还有音效里的“哔”。

后来有人提出了关于黑洞的定理，起名叫“无毛定理”（No Hair Theorem），霍金证明了它。于是“黑洞无毛”的结论就变得更有名了。霍金说：这进一步加重了法国人的疑虑。

好了，大科学家开车到此结束，今天我们就来聊聊霍金眼中“无毛”的黑洞，4 分钟带你扫清关于黑洞的所有困惑。这些内容主要来自霍金 10 月份的新书《终极问答》（Brief Answers to the Big Questions）。这是霍金最新出版的一部遗作，在这本书里，霍金回答了他最为关心的 10 个终极问题，其中最浓墨重彩的问题，自然是跟他研究了大半辈子的黑洞有关。

我把这部分内容，整理成了普通人可以理解的 8 个“黑洞大问题” ：

1、有人发现黑洞了吗？

2、黑洞是黑的吗？

3、黑洞是怎么生出来的？

4、谁来直播一下，人掉进黑洞的过程？

5、黑洞“光吃不拉”吗？

6、黑洞永生不死吗？

7、黑洞会“焚书坑儒”吗？

8、霍金为什么要花大半辈子研究黑洞？

明白了这些问题，哪怕是作为一个不研究黑洞的人，你都已经成了半个“黑洞行家”。

01.

有人发现黑洞了吗？

是的，而且还不止一个。

比方说就在 10 月底，科学家宣布在银河系的中心确认了一个巨大的黑洞，叫人马座 A*，它的质量相当于 4 000 000 个太阳。

科学家还发现，有东西正绕着这个黑洞旋转，因为离得稍微远一些，所以没有掉下去，旋转的速度达到了光速的 30%，也就是每秒钟 9 到 10 万公里，相当于 1 秒钟就能绕地球赤道 2 圈多。

02.

黑洞是黑的吗？

不是。黑的东西我们能看见，黑洞我们看不见。

看得见东西是因为东西能反射出光线，看不见黑洞是因为它反射不出来光线，它是“光の吞噬者”。

为什么《星际穿越》之类的科幻电影能做出酷炫的黑洞来？

他们模拟的是黑洞的一种视觉效果，叫 “引力透镜” 效应。

如果黑洞背后一个老远的地方飘过来一颗发光的星球，那你站在黑洞面前，能看到星球发出来的光在黑洞四周发生了扭曲，就好像光线穿过了一个透镜的边缘。

所以说，虽然黑洞我们看不见，但是我们能看到它产生的一些效果，能够间接观测到它。

比方说 2016 年刷屏的 “引力波” ，那就是两个黑洞合并成一个大黑洞的时候，观测出来的现象。

03.

黑洞是怎么生出来的？

恒星死了，黑洞生。

如果说像太阳这样的大质量恒星，可以说是 “宇宙之子” ，那黑洞就是“宇宙之子”们去世以后的一种样子。

霍金认为，如果一颗恒星，质量是太阳的 30 倍以上，那它就会变成黑洞。

因为这时候，一颗特别大的恒星，它的所有粒子之间，万有引力的作用超过了一切，拼命地把大家往一块儿聚，越聚越密，越密越聚，恒星就变成了“压缩饼干”，这个过程的学名叫“坍缩”，坍塌着往里缩。

所以说，个儿小分量足，这就是黑洞的特点。你可以说它是个“小胖墩儿”。

这个小胖墩儿长什么样子？在很多科普书里面，黑洞都给描绘成了“漏斗”的形状，其实是不对的，之所以描绘成漏斗，是为了方便你理解一个东西，就是 “漏斗” 上的那个“大盘子”，它的学名叫“事件视界”。

这盘子是怎么来的？打个比方，黑洞就像个封建社会的大家庭，任何家庭成员都不能往外跑，只能待在家里。

而家里最不老实的小儿子，成天惦记着往外跑，可是每次刚跑到村口儿就让家里人给抓回去了。

村口儿到家的距离是二里地。那么从家出发，用这二里地的距离画一个圆，就是整个家族的势力范围。

黑洞“漏斗”上那个“圆盘”，就是半径二里地画出来的圆。而小儿子就是腿最快的家伙——光。

黑洞在事件视界的范围内，刚好能把光给抓回来，所以其他东西就更跑不了了。

所以说画成漏斗的形状，是为了帮你更好地理解事件视界这个东西，但真实的黑洞不是漏斗形的，它到底长什么样呢？

《星际穿越》的科学顾问、也是霍金的好朋友、诺贝尔物理学奖得主基普·索恩（Kip Thorne）给描绘了一下，大概长这个样子：

至于你觉得他设计的对不对、好不好看，这事儿就见仁见智了。

04.

谁来给直播一下，人掉进黑洞的过程？

很多人都很好奇，黑洞里面有什么？霍金说，你从外面瞅是啥也瞅不出来的。

所以这是个很尴尬的问题，没有人能回答。因为能回答这个问题的人，应该已经掉进去了；而一个说话还能让你听见的人，他就压根儿没进去过。

那掉进黑洞里瞅瞅，是一种什么滋味儿呢？霍金说：如果你这辈子注定要去黑洞里头走一遭的话，记得对自己好一点，选一个大点儿的。因为掉进小的里面会比较惨。

如果咱们直播一下人掉进黑洞里的过程，那就很像在大瀑布的顶儿上划一只小船，眼看就要掉下去了。大瀑布的顶儿上，就是咱们刚才说的“事件视界”外边，在这儿发生的事件人们是可以看到的。掉下瀑布、掉进事件视界以后，外面的人就看不到了。

我们知道，越靠近瀑布的水流就越湍急，越靠近黑洞中心，引力就越大，所以如果你是脚在前，头在后的话，那肯定会先拉你的脚下去，结果就是你被一点点儿地做成了海底捞甩面，整个身体越扯越长，变成了一根铅笔，一根丝线，越变越黯淡……最后消失在人们的视线当中。

是不是人掉进每个黑洞里都会这么惨呢？也不是，霍金说了，找个大的，就去咱刚才说的那个银河系中间儿的大黑洞，400 万个太阳的质量。那么大的黑洞，你的小身板儿一米几长都不算啥，大黑洞用在你头上和脚上的引力都差不多，所以你会好受一点儿，不会被扯得这么厉害。

05.

黑洞“光吃不拉”吗？

我承认这是一个粗鲁的问题，但是话糙理不糙。

因为很多人觉得黑洞进去的东西就出不来了。

这种错误的观点，也是霍金给我们掰回来的，他证明了：黑洞不是“光吃不拉”，而是“边吃边吐”。吃进去的是“馒头”，吐出来的是“面粉”，这“面粉”还有个名字，就叫“霍金辐射”（Hawking radiation），因为是霍金发现的。

在黑洞周围的空间里，有一对儿一对儿的粒子出现，这些粒子不是咱们生活里实打实的原子、分子，人们用各种先进的仪器观察，也看不见它们，所以叫它们“虚粒子”，你可以说空间里有一对儿“虚粒子 CP ”，就像一对儿黑白双煞，俩人要么同生，要么共死——撞到一块儿灰飞烟灭了（下图中的 1）。

但是因为它们靠近了黑洞，这时候，这对虚粒子 CP 当中，有一个人可能就会先掉进黑洞里，而另一个人就“耍单儿”了，没人跟她“共死”了。这时候，耍单儿的这个，有可能跟另一半共赴黄泉，也掉进黑洞里（下图中的 2），但是它也有可能就逃了出去，逃到离黑洞远远的地方（下图中的 3）。

有人可能会问了：既然这一对儿 CP 都是虚的、看不见的，那为什么耍单儿的一个逃出来的时候，人类就可以“看”到它们、检测到它们呢？这事儿就有点儿复杂了，我说一说你听听看，听着懵也没关系，不影响你对黑洞的理解：

这个虚粒子它逃出来的过程并不简单，也是九死一生，在黑洞强大的引力之下，这个虚粒子会被提升，变成实打实的粒子。也就是黑洞变了个“魔术”，变出来一个实粒子。

一对儿虚粒子本来质量加起来是零：m1 + m2 = 0

但是一个实的粒子有正的质量：m1＞0

而质量不会凭空产生，

所以掉进黑洞的那个虚粒子就得是负的质量：m2＜0

它的质量给了黑洞，黑洞的质量（M）就会变小：M + m2 ＜M

也就是说，你站在黑洞旁边儿看黑洞，它仿佛是“吐出来”一个实粒子，然后黑洞的质量还变小了。

霍金发现，黑洞 “吐” 粒子的速度是很稳定的，就像水龙头出水一样。而所有吐出来的实粒子，就构成了著名的 “霍金辐射”——黑洞并不是有进无出，而仿佛是在边吃边吐，它吐出来的实粒子，变成了威力强大的 X 射线和伽马（γ）射线。

霍金说，像一座山这么大个儿的黑洞，喷出来的射线，功率能达到 1000 万兆瓦，这要是能用来发电的话，足够整个地球用电的了。

06.

黑洞永生不死吗？

知道了黑洞的“呕吐”机制，你应该有个不祥的预感了，黑洞这么 cool 的东西想要永生不死，也不过是痴人说梦罢了。

无数的虚粒子对儿一个掉进黑洞、一个逃离黑洞，会导致黑洞的质量变小，黑洞就像蒸发了一样，个头儿也会变得更小。

而且霍金说了，越小的黑洞，蒸发的速度就越快。

黑洞最终的结局是 —— 彻底蒸发干净，消失在宇宙当中。

这让我想起花儿乐队的洗脑神曲《嘻唰唰》里有两句歌词：

拿了我的给我送回来
吃了我的给我吐出来

可黑洞最坑爹的地方在于，即便它死了，拿了你的也不会送回来，吃了你的也不会吐出来。从黑洞里逃出来的粒子们，跟扔进去的东西一比，看上去半毛钱关系也没有。

喂他吃电脑，给你吐射线；
喂他吃汉堡，给你吐射线；
喂他吃地球，给你吐射线；
喂他吃粑粑，还是给你吐射线……

如果你有什么不可告人的秘密，最可靠的不是 “树洞” APP ，而是黑洞。

07.

黑洞真的会“焚书坑儒”吗？

霍金的最后一篇论文说了什么？

可能在一些人眼里，黑洞就像“冬天里的一把火”，燃烧了整个“沙漠”，是一片“不毛之地”。

过去科学家也这么看，所有的黑洞没什么区别，就像所有的沙漠没什么区别。他们给黑洞起了个形象的称号，说它“无毛”（no hair）。

一个黑洞，不管它吃进去的是人，是动物，是电脑，是汉堡包，还是一颗星球，它表现出来的样子好像都是一样的，只有三点不一样，质量、角动量，还有电荷。这样一瞅，黑洞倒像是一个穿着毛衣跳舞的姑娘。

质量（M），大的小的？—— 姑娘是胖还是瘦？

角动量（a），黑洞是静止的，还是旋转的？—— 姑娘有没有跳起来？

电荷（Q），黑洞带不带电？—— 姑娘的毛衣起不起静电

一个黑洞和另一个黑洞，只有这 3 点区别。

至于姑娘肚子里装了啥，是装了顿晚饭，还是揣着个娃，不重要，你也看不见。

过去科学家一直相信这个 “无毛定理” ，一个黑洞只由这 3 个东西决定。

但是问题就来了，因为黑洞把东西吞进去以后，关于这些东西的信息就凭空消失了。

这不科学，非常的不科学。

科学家相信，信息（information）是不会凭空丢失的。

信息真的丢了吗？霍金一开始也这么觉得，好吧，应该是真丢了。 

直到他后来一折腾，自己把自己给推翻了，他说：黑洞不是“无毛”的，黑洞——就像一个已经谢了顶，但还没有光头的男人——他是有 “软毛”（soft hair）的，这些软毛的存在，证明黑洞没有丢失信息，信息还是守恒的。

黑洞的软毛，很有可能就是黑洞的第 4 个重要特征 —— 一个穿着毛衣跳舞的姑娘，请不要忽视她的一头 “秀发” 。

霍金生命最后的岁月里，就在研究黑洞的“秀发”，他的最后一篇论文也跟这个有关系，但是他的突然去世，导致他所开辟的这条道路，只能交给其他人在未来完成了。

弄懂了这个 “软毛” ，你就知道了关于黑洞的终极秘密。

从 2016 年开始，霍金就提出来“软毛”这个说法，所谓的“软毛”是一些粒子。

每当有一个带电的粒子掉进黑洞里面，就会给黑洞增加一根软毛，它可以是一个“柔软的光子”（a soft photon），跑到离黑洞很遥远的地方，跑到“大圆盘子”——事件视界的外头。

打个不一定恰当的比方，你可以把软毛看成是掉进黑洞的东西，在黑洞外头留下来的一点蛛丝马迹，一个抛向远方的“二维码”。

如果霍金的理论没有问题，如果“软毛”储存信息的方式让我们给破译了，那么“扫描二维码”，应该就可以知道“掉进黑洞的粑粑长什么样子”。

过去很多人觉得黑洞丢掉的信息，很可能都通过这种方式保存了下来。

霍金去世以后，在他最新发表的论文里，霍金找到了一种新的方法，可以计算黑洞的软毛里，到底储存了多大的信息量。

而不同的黑洞，都可以拥有不同数量的“软毛”。所以霍金说，黑洞不止 3 个特点：质量、电荷、角动量。很可能还有第 4 个特点，也就是这些软毛。霍金还给它们起了个学名，叫“超平移电荷”（supertranslation charge），感兴趣的话你可以查查看。

这个软毛理论最了不起的地方就在于，它把我们研究黑洞的视野，给极大地拓宽了。我们过去一直惦记着：想探进去看看黑洞里头是什么，却忽略了，黑洞储存的信息不一定都在里头，而很有可能是有一部分留在了外头。

在这个意义上，黑洞倒不像一个漩涡，而更像一棵蒲公英，开枝散叶，遍地生根。如果将来有人能够证明，霍金的软毛理论是正确的，那么黑洞信息丢失的问题可能就解决了。

不过最后我还得提醒你一点，霍金自己也说，他只是把解决这个问题的方向给指出来了，他做了一些基础性的工作，但是黑洞信息丢失的问题到目前为止还没有彻底解决，人类正在向最终的答案不断迈进。

如果你能理解刚才说的这部分内容，相信我，全宇宙关于黑洞最前沿的知识，你都已经 get 到了。

08.

霍金为什么要花大半辈子研究黑洞？

到这里，如果你只是来看黑洞科普文的，那关于黑洞本身的知识我都已经介绍完了。接下来的一点内容，我想跟你聊聊研究黑洞的意义。

一个黑洞，看不见、摸不着、离我们八丈远、想找一个都费劲，研究它有什么用？

为什么霍金把大半辈子的智慧，都给了这看起来很不靠谱的东西？

我们普通人，理解黑洞是怎么回事，跟我的个人生活有关系吗？

在这儿，我想说：没错，黑洞一点也不靠谱，到现在也没弄清楚，而且未来可能相当一段时间，都不会完全弄清楚，知道黑洞的知识，也不能给你的朋友聚会提供什么谈资，更不能让你的老板赏识你。

可是它依然值得研究。

因为我们是人类。

因为黑洞太特殊了，它有可能揭示出宇宙的终极秘密。

在整个 20 世纪，有了爱因斯坦的相对论，有了量子力学以后，很多科学家都在追求一件事：找到一套“万有理论”（Theory of Everything，简称ToE）。

什么是“万有理论”？电影里的霍金亲自给出了答案：

One
Single
Equation.

对于科学家来说，没有什么比这个更诱人的了。

所以经过无数科学家的努力，有两套理论，可以看成是万有理论的基础：

广义相对论，和量子场论。

它俩加在一起，几乎就要实现霍金的梦想了。

但可惜的是，这两套理论水火不容。

广义相对论在这里适用，在那里就不适用；
量子场论在这里不行，却在那里行。

换句话说，它俩不可能是同时正确的。

比方说
在尺寸特别小的地方，
在质量特别大的地方，
这种剧烈的矛盾冲突就很明显。

就像宇宙大爆炸开始的那一刻，
就像在黑洞里。

宇宙大爆炸那一刻已经过去了，而黑洞还在。

所以黑洞，是万有理论最好的试验场之一。

如果一套理论，放在大尺度的地方没问题，放在黑洞里还能不出问题，那它有可能就是我们要找的万有理论。

这也就是为什么关于霍金的电影，不叫《霍金传》，不叫《科学家的故事》，而叫《万物理论》（The Theory of Everything）。

电影，就像我们未实现的梦。
而万有理论，就是霍金一生都没有做完的梦。

现在，他要到天上去做了。

有人会问：我们人类，真的能找到一个万有理论吗？用一个公式，解释整个宇宙？

有人会说：这是不可能的，是痴人说梦，是理工男统治世界的妄想。

而我想说：如果你连想都不敢想，你怎么可能找到它呢？

这个社会上有很多现实的人，他们总是告诉我们：什么事情是不可能的。他们安于现状。

如果说这些人跟霍金的差距在什么地方，我觉得是两个字：视域（Vision）。

视域，不是去过多少国家、开了多少眼界、拓宽多少视野；

视域（Vision），是人把现实世界 筹划到想象世界的能力。

我们看到这世上每一个了不起的人，霍金、乔布斯、马云……他们为什么了不起？

因为他们看到了我们没看到的，想到了我们没想到的，做到了我们没做到的。他们的视域和我们的不一样。

你说霍金搞宇宙学有用吗？没用，一点用也没有。霍金当年写一本《时间简史》，是因为当宇宙学老师挣得少，想拿这本书的稿费贴补贴补家里，因为妻子一个人照顾这个家，实在是太辛苦了。

可你说宇宙学就真的没有用吗？如果说人类视域的极限在哪里，那除了浩瀚的宇宙星空，你还能给出第二个答案吗？

燕雀，安知鸿鹄之志哉？

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不要让有限的智识限制了你的想象力，

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撰稿：刘家琦 责编：孙思远

剪辑：王晓波 排版：陈彦妃