如果做一個“天體人氣榜”，那黑洞應該是當之無愧的冠軍。
剛剛，黑洞又一次躍入了大眾的視線。北京時間 10 月 6 日，諾貝爾委員會宣布2020年諾貝爾物理學獎被分成兩部分，一部分授予羅杰·彭羅斯，以表彰其在證實廣義相對論與發現黑洞領域的成就；另一部分授予萊因哈特·根澤爾和安德里亞·格茲，以表彰他們分別帶領團隊發現了銀河系中心的超大質量天體。
這是近年諾貝爾物理學獎繼2017年、2019年之后，又一次授予天體物理學方向；并且2017年雷納·韋斯、巴里·巴瑞斯、吉普·索恩因引力波探測研究獲獎，也與黑洞研究密不可分。加上此前著名的“黑洞照片”公布，黑洞在這幾年可以說是反復躍入公共視野。
但圍繞今年諾獎首次頒給黑洞研究這個話題，還是產生了不少疑問。比如說很多媒體和評論人都認為，屬于黑洞研究的諾獎“姍姍來遲”，并且頒給霍金好友羅杰·彭羅斯，是對2018年霍金辭世的某種惋惜和追悔。
那么問題來了，霍金沒有因為黑洞研究而獲得諾貝爾物理獎真的并不公平嗎？羅杰·彭羅斯僅僅是以霍金朋友的身份代他領獎嗎？
另一方面，為什么婦孺皆知的黑洞，要等到如今才摘得諾貝爾獎，甚至還有些勉強？黑洞的偉大發現難道不早就該彪炳史冊嗎？
這些問題的答案，可能都埋藏在人類追捕黑洞真相的漫長歷史里。借著諾獎帶來的話題余溫，讓我們一起回溯一下這場人類智慧的跨宇宙遠征。
派出最聰明的“偵探”努力二百余年，我們才剛剛解開黑洞謎局的一角。
警覺：沉默的暗星
發現黑洞，是一場跨越時間、空間，以及學科體系的持久戰。作為一項組合工程，它需要物理學家、數學家、天文學家的高效協作。有時候它也需要在一方人馬工作不下去的時候，換另一隊來攻克難關。所以說，跨學科背景和學科交叉人才在發現黑洞的路上特別重要，比如今年的諾獎得主很多都具備跨學科背景，或者轉換過研究領域。
而對黑洞這種天體現象最早的模糊認知，也來自學科視角轉換帶來的“驚喜”。雖然我們一般意義上認為黑洞的發現在愛因斯坦提出廣義相對論之后。但其實早在18世紀，科學家就已經發生了對黑洞存在的“警覺”。
在發現開普勒定律和萬有引力之后，宇宙速度的概念逐漸清晰。科學家發現天體的密度與引力成正比。那么是不是有一種可能，某種天體的密度特別大，引力特別強，導致連光的速度都無法完成宇宙速度的逃逸？
密度大到能吞噬光的天體，自然也就無法被人類觀測到。1783年，英國自然哲學家、地質學家約翰·邁克爾在給英國皇家學會的亨瑞·卡文迪許的信中，提出了這樣一種不可見天體的可能性。他將之稱為“暗星（Dark Stars）”——約翰·邁克爾還根據宇宙速度來推測，如果一個與太陽質量相同的天體，其半徑只有三公里，那么這個天體的引力就將達到光無法逃逸的程度，也就形成了對地球的不可見。兩百年后的事實證明，這個猜測已經十分接近人類所知的黑洞。
隨后，相關內容在英國皇家學會會報上發表，引發了科學界的熱烈討論。關于“不可見星”的討論有了種種測算和猜想。而在當時條件下，吞噬光的星體還僅僅是個邏輯推演，科學界還沒有理論路徑來認識真實存在的黑洞。
到20世紀初年，電磁學興起之后，人們開始從另一個角度來理解黑洞。德國物理學家，量子力學的開創者馬克斯·普朗克在1900年提出了關于“黑體輻射”的假說。他認為既然物體在釋放輻射的同時也吸收輻射，那么應該有一種物體，既所謂“黑體”，能夠吸收所有的光，但是既無法反射光也不形成光透射。黑體是電磁學領域的一個理想概念，并不是真正的科學發現。但普朗克提出的“黑體輻射”已經描述了黑洞的量子特征，打開了另一條發現黑洞的秘徑。
根據引力推論，以及密度越大輻射越大的角度來看，暗星或者黑體，應該是一定空間內壓縮了巨大密度的存在。按照這個理論，濃縮版的太陽或者地球都會變成黑洞，漫威的超級英雄蟻人最終也會變成黑洞。
但真的有天體會經歷濃縮嗎？來到20世紀，一位天才給出了答案。
瞄準：黑洞命名與史瓦西半徑
1915年11月25日，愛因斯坦發表了“廣義相對論”。這一天應該被銘刻在人類共同的紀念碑上，不僅是因為愛因斯坦本人的偉大，還由于“廣義相對論”可以解釋太多事情，將然問世就給各領域的科學家以醍醐灌頂的感覺。其中就包括，黑洞。
如上所述，在愛因斯坦之前，科學界已經有了對黑洞的猜想。實質缺少的是對黑洞如何產生、自然界是否真能存在黑洞的認知基礎。
根據“廣義相對論”對引力場公式，宇宙中可以存在密度無限大的奇點。在特定區域內一切物質都向奇點坍塌，形成對包括光在內所有物質的吞噬效應。雖然愛因斯坦本人并沒有提出過黑洞假說，也不見得相信宇宙中存在黑洞，但他提出的理論確實給全面認知黑洞打開了大門，讓人類可以在數學和理論物理的層面完整描述黑洞。
于是乎，就在“廣義相對論”提出兩個月后，德國天文學家、物理學家卡爾·史瓦西就通過計算愛因斯坦的引力方程得到了一個真空解。這就是“史瓦西半徑”，自此人類完整預言了黑洞的存在。
所謂“史瓦西半徑”，是指一個天體向奇點坍塌到一定程度時，其質點的周圍會出現一個界面──“視界”。在視界中會光無法逃逸的現象，自此黑洞就將誕生。根據史瓦西的計算，太陽如果坍塌到半徑三公里以下就會變成黑洞，而地球坍塌到半徑9毫米以下也會變成黑洞。
而為什么天體會出現向奇點坍塌的現象呢？現代天文學認為，恒星演化的終局，也就是恒星熄滅之時，就是黑洞誕生之日。而還有一種宇宙黑洞的可能性來源，是根據“廣義相對論”推算，宇宙可能是大爆炸的產物。而大爆炸初期，在宇宙早期膨脹之前，會出現某些區域的密度異常大，這些留存下來的區域就是宇宙中的原初黑洞。
1969年，美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒率先提出了“黑洞”一詞，來制定面目愈發清晰，但還沒有被人類觀測到的最神秘天體。而人類關于黑洞的揭秘游戲，也進入了新的章節。
推理：“黑洞無毛”
物理學家惠勒，并不僅僅是擅于起名字。在對黑洞的深化討論里，惠勒率先提出了人類在“廣義相對論”基礎上認識黑洞后的第一個大問題：在熱力學理論中如何解釋黑洞的存在？
惠勒提出了這樣一個問題，既然黑洞只吸收，不放出，那么一個帶熵的物體被黑洞吸收之后，整個系統的熵就消失了。而這明顯違反了熱力學的第二定律。
那么問題來了，黑洞內的特殊條件中，熱力學第二定律還成立嗎？面對這個問題，物理學界給出了一個猜想，就是黑洞吞噬效應發生后，被吞噬物體的一切物質記憶與復雜性都將消失。而進入黑洞視界的物體只能留下三個參數：質量、電荷量和角動量。
這個奇怪的特性引發了科學家們新的關注，成為70年代黑洞認知又一輪大幅跨越的推理基礎。而這個現象也被確實很擅長發明術語的惠勒稱為“黑洞無毛”——黑洞吞噬的東西，所有“毛發”信息都將喪失，只留下三個最基本特征。
黑洞無毛的定理一度讓很多中國傳統文化愛好者非常興奮。比如我就曾聽某“國學大師”的講座里說，黑洞最終是印證了“一氣化三清”和“玄之又玄，眾妙之門”。至于到底是不是呢，咱也不知道，咱也不敢問。
反正，黑洞熱力學的假說確實激發了上世紀70年代關于黑洞的又一輪大討論。而那就是我們熟悉的霍金，以及剛剛獲得諾獎的彭羅斯，屬于他們的舞臺。
重審：霍金輻射，黑洞蒸發
與當時黑洞研究界主要是物理學與天文學背景的科學家不同，彭羅斯的主要知識背景與研究視角都來自數學。
上世紀60年代，彭羅斯提出了關于時空立場的全新數學解法。在他的數學推演下，空間是可以扭曲的，這就是著名的扭量理論。從電荷、量子運動，到黑洞中的熱力轉換，都可以通過扭量理論來解釋。并且這一理論還認為，任何條件下物質最后都會經歷一個不可避免的數學奇點，這個奇點就是黑洞的形成。這個觀點打破了黑洞形成的特殊性，指出黑洞可能是所有天體最終的命運。這項研究的過程中，霍金成為了彭羅斯的重要伙伴，這一發現也被稱為彭羅斯-霍金奇點理論。
某種程度上來說，霍金是站在彭羅斯提出的數學方法基礎上，通過更加激進的理論物理推想，得出了一系列關于黑洞更為具體的信息。1974年，牛津的盧瑟福實驗室召開了一場量子物理學研討會，霍金宣布了對于黑洞的全新發現：黑洞不僅能夠吸收視界外的物質，同時還以熱輻射的形勢向外“吐出”物質。
這種推論被稱為霍金輻射，也被稱為“黑洞蒸發”。霍金認為，隨著黑洞蒸發的過程，黑洞溫度也隨之升高，最終將以大爆炸的形勢吐出所有物質。霍金輻射理論指出，黑洞并不僅僅是吸收物質的“宇宙窟窿”，其本身也構成了宇宙循環的一部分。因此，黑洞也就并非恒星演化的最終形態，而是恒星演化的一個必然部分。在成為黑洞之后，天體還將向其他形態演進。而我們所處的宇宙，也就是大爆炸之后物質高速擴張的一個階段。
從彭羅斯到霍金，科學家開始真正把黑洞建立在了熱力學的體系中，并以此為契機窺探宇宙的本源。但這里要指出的是，霍金之偉大與爭議是并存的。其重要原因在于霍金的推想太超前了，目前的天文能力無法驗證其真偽。并且霍金的黑洞推論內部有自相矛盾的地方，直到晚年霍金都在致力于達成其推論的自洽。
而諾貝爾獎的含義，是獎勵科學家“解決問題”，而非“發現問題”或者“找到了解決問題的可能”。從這個角度看，彭羅斯的獲獎建立在他的理論被近年連續出現的天文證據所證明。而霍金的眾多理論今天依舊是“懸案”，這就像愛因斯坦也沒有因為”廣義相對論”摘得諾貝爾。
諾貝爾不獎勵先行者，從這個角度看霍金是遺憾的；但先行者的足跡早早跨出了諾貝爾獎的范疇，這又是霍金的驕傲和幸運。
搜尋：宇宙證據鏈
其實不難看出，在漫長的時間里，天文學界在黑洞這個天文領域，都是基本缺失的。這當然是黑洞的獨特性導致的，畢竟要怎么觀察一個以“不可見”為特征的天體呢？好在人類的天文學技術在不斷實現突破，計算機、光學、電磁學等等成果成為了天文觀測的助手。而基于一系列對黑洞的熱力學認識，人類也開始獲得了觀測黑洞的路徑。
黑洞被準確觀測，被天文學交叉證據給證明，其實在近幾年才有顯著突破。而這也形成了一個新的觀點：所謂基礎科學靠天文，當物理、數學遇到瓶頸的時候，該輪到天文崛起了。
比如摘下2017年諾獎的LIGO引力波觀測系統、拍下黑洞照片的“事件視界望遠鏡”全球觀測網。這些抵達人類工程能力頂峰的天文設備，正在為進一步揭秘黑洞帶來希望。
目前來看，觀測黑洞主要有以下幾個辦法：
1、根據引力效應觀察黑洞。
黑洞雖然不可見，但在黑洞周圍視界之外卻會形成可以被觀察到的引力旋轉效應。尤其對引力波的發現和捕捉，為觀測劇烈的黑洞運動提供了全新的可能。比如2017年8月14日劃過地球的引力波被LIGO所捕獲。這次引力波被精準確定了所發生的宇宙方位，并且判斷出發出引力波的天文現象應該是兩個黑洞發生合并。
2、根據輻射效應觀察黑洞。
根據霍金輻射理論，黑洞本身雖然不能發出光線，但其具有極強的輻射釋放性。通常來說，黑洞內部會向宇宙發出極強的X射線。而對宇宙中的X射線強度與射線源進行觀測，就有很大機率找到黑洞。
３、根據密度效應觀察黑洞。
由于黑洞具有極強的引力場，所有黑洞周圍往往會出現大密度的恒星分布，這在天文觀察中會出現亮度集中的特征。這也就是所謂的黑洞密度效應。據此，天文學家可以觀測出黑洞的確切位置。本次獲得諾獎的根策爾和蓋茲團隊，就是從90年代致力于尋找和觀測黑洞。他們發現，在銀河系的中央有些恒星的密度超大，達到了數百萬倍的太陽質量。這證明了銀河系的中心應該就是一個巨大的黑洞。而這也從另一方面證明了彭羅斯和霍金的“黑洞循環”說：黑洞并非宇宙中特立獨行的吞噬者，他就是宇宙運行機制的一部分。甚至很可能黑洞支撐了我們所在的銀河系。
疑點：黑洞當然未明
時至如今，套用一個推理小說中的說法，我們已經知道了誰是黑洞，但并不知道黑洞是誰。
經歷了200多年，人類終于確定了黑洞真的存在，并且為之頒發了一次諾貝爾獎。但黑洞的運行機制到底是怎樣的？他的能量原理是什么？他與宇宙、時空、天體循環的關系是什么？種種謎團還停留在無數光年以外，黑洞依舊一片漆黑。
比如說，霍金留下的理論財富中就還有大量等待被驗證的東西。霍金的理論究竟是自娛自樂，還是將如愛因斯坦一樣成為不斷被時代證實的先知，都還有待未來告訴我們？事實上，無論是“廣義相對論”給黑洞留下的存在前提，還是史瓦西半徑、霍金蒸發，這些科普讀物中赫赫有名的詞匯，都是在近幾年引力波與黑洞照片等天文證據支撐下才變成確證。
面向黑洞的征程才剛剛開始，彭羅斯等人的諾貝爾，更像是給那些孤獨挑釁宇宙的人，一些相對遲到，又相對早到的安慰。
圍繞黑洞，人類還有無比強勁的探索欲望。比如說現代物理學的兩大支柱，是廣義相對論和量子物理學。而好巧不巧的是，黑洞這種極端天體是研究兩大理論的共同支柱，好像有點殊途同歸，大道歸元的意味。
另外圍繞黑洞還有更多假說有待證實。比如與黑洞對立，負責向宇宙放出物質的白洞是否真實存在？比如黑洞白洞之間，是否真的存在愛因斯坦-羅森橋，也就是能夠穿越時間的蟲洞？再比如被黑洞吸收的物質，是不是吐向了其他宇宙？黑洞是不是多重宇宙的聯接點，是否是暗物質的溫床？
無論你是科幻愛好者、民間科學家，或者真的有志于向黑洞發起探索，那個神秘的奇點視界都在科學的努力下，越來越多地影響人間。至少可以肯定地說，基礎科學的下一個，或者未來某個重大出路，就藏在黑洞里。
那些捕捉黑洞的偵探們，可能并不在意某枚勛章。他們更想要真相，時空與宇宙的真相。
參考文獻：
1、斯蒂芬·霍金《時間簡史》，湖南科學技術出版社，2009年
2、基普.S.索恩《黑洞與時間彎曲》，湖南科學技術出版社，1999年
3、羅杰·彭羅斯《宇宙的輪回》，湖南科學技術出版社，2007年
4、徐仁新《天體物理導論》，北京大學出版社，2006年
（本文由腦極體和鳳凰科技聯合出品）
