霍金說“黑洞”這個(gè)詞，法國人一開始是不喜歡的，因?yàn)樘哿恕?br/>
法語里的“黑洞” 叫 trou noir ，在一些當(dāng)?shù)赝猎捓锩媸橇R人用的，類似我們中國人字幕里的“×”。

后來有人提出了關(guān)于黑洞的定理，起名叫“無毛定理”（No Hair Theorem），霍金證明了它。于是“黑洞無毛”的結(jié)論就變得更有名了?；艚鹫f：這進(jìn)一步加重了法國人的疑慮。

好了，大科學(xué)家開車到此結(jié)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(guān)于黑洞的所有困惑。這些內(nèi)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(guān)心的 10 個(gè)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(guān)。

我把這部分內(nèi)容，整理成了普通人可以理解的 8 個(gè)“黑洞大問題” ：

明白了這些問題，哪怕是作為一個(gè)不研究黑洞的人，你都已經(jīng)成了半個(gè)“黑洞行家”。

01.

有人發(fā)現(xiàn)黑洞了嗎？

是的，而且還不止一個(gè)。

比方說就在 10 月底，科學(xué)家宣布在銀河系的中心確認(rèn)了一個(gè)巨大的黑洞，叫人馬座 A*，它的質(zhì)量相當(dāng)于 4 000 000 個(gè)太陽。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，有東西正繞著這個(gè)黑洞旋轉(zhuǎn)，因?yàn)殡x得稍微遠(yuǎn)一些，所以沒有掉下去，旋轉(zhuǎn)的速度達(dá)到了光速的 30%，也就是每秒鐘 9 到 10 萬公里，相當(dāng)于 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?yàn)闁|西能反射出光線，看不見黑洞是因?yàn)樗瓷洳怀鰜砉饩€，它是“光の吞噬者”。

為什么《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(yīng)。

如果黑洞背后一個(gè)老遠(yuǎn)的地方飄過來一顆發(fā)光的星球，那你站在黑洞面前，能看到星球發(fā)出來的光在黑洞四周發(fā)生了扭曲，就好像光線穿過了一個(gè)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(chǎn)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(gè)黑洞合并成一個(gè)大黑洞的時(shí)候，觀測出來的現(xiàn)象。

03.

黑洞是怎么生出來的？

恒星死了，黑洞生。

如果說像太陽這樣的大質(zhì)量恒星，可以說是 “宇宙之子” ，那黑洞就是“宇宙之子”們?nèi)ナ酪院蟮囊环N樣子。

霍金認(rèn)為，如果一顆恒星，質(zhì)量是太陽的 30 倍以上，那它就會變成黑洞。

因?yàn)檫@時(shí)候，一顆特別大的恒星，它的所有粒子之間，萬有引力的作用超過了一切，拼命地把大家往一塊兒聚，越聚越密，越密越聚，恒星就變成了“壓縮餅干”，這個(gè)過程的學(xué)名叫“坍縮”，坍塌著往里縮。

所以說，個(gè)兒小分量足，這就是黑洞的特點(diǎn)。你可以說它是個(gè)“小胖墩兒”。

這個(gè)小胖墩兒長什么樣子？在很多科普書里面，黑洞都給描繪成了“漏斗”的形狀，其實(shí)是不對的，之所以描繪成漏斗，是為了方便你理解一個(gè)東西，就是 “漏斗” 上的那個(gè)“大盤子”，它的學(xué)名叫“事件視界”。

這盤子是怎么來的？打個(gè)比方，黑洞就像個(gè)封建社會的大家庭，任何家庭成員都不能往外跑，只能待在家里。

黑洞在事件視界的范圍內(nèi)，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(gè)東西，但真實(shí)的黑洞不是漏斗形的，它到底長什么樣呢？

《星際穿越》的科學(xué)顧問、也是霍金的好朋友、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主基普·索恩（Kip Thorne）給描繪了一下，大概長這個(gè)樣子：

至于你覺得他設(shè)計(jì)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(jìn)黑洞的過程？

很多人都很好奇，黑洞里面有什么？霍金說，你從外面瞅是啥也瞅不出來的。

所以這是個(gè)很尷尬的問題，沒有人能回答。因?yàn)槟芑卮疬@個(gè)問題的人，應(yīng)該已經(jīng)掉進(jìn)去了；而一個(gè)說話還能讓你聽見的人，他就壓根兒沒進(jìn)去過。

那掉進(jìn)黑洞里瞅瞅，是一種什么滋味兒呢？霍金說：如果你這輩子注定要去黑洞里頭走一遭的話，記得對自己好一點(diǎn)，選一個(gè)大點(diǎn)兒的。因?yàn)榈暨M(jìn)小的里面會比較慘。

如果咱們直播一下人掉進(jìn)黑洞里的過程，那就很像在大瀑布的頂兒上劃一只小船，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(fā)生的事件人們是可以看到的。掉下瀑布、掉進(jìn)事件視界以后，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，頭在后的話，那肯定會先拉你的腳下去，結(jié)果就是你被一點(diǎn)點(diǎn)兒地做成了海底撈甩面，整個(gè)身體越扯越長，變成了一根鉛筆，一根絲線，越變越黯淡……最后消失在人們的視線當(dāng)中。

是不是人掉進(jìn)每個(gè)黑洞里都會這么慘呢？也不是，霍金說了，找個(gè)大的，就去咱剛才說的那個(gè)銀河系中間兒的大黑洞，400 萬個(gè)太陽的質(zhì)量。那么大的黑洞，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(diǎn)兒，不會被扯得這么厲害。

05.

黑洞“光吃不拉”嗎？

我承認(rèn)這是一個(gè)粗魯?shù)膯栴}，但是話糙理不糙。

因?yàn)楹芏嗳擞X得黑洞進(jìn)去的東西就出不來了。

這種錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，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(jìn)去的是“饅頭”，吐出來的是“面粉”，這“面粉”還有個(gè)名字，就叫“霍金輻射”（Hawking radiation），因?yàn)槭腔艚鸢l(fā)現(xiàn)的。

在黑洞周圍的空間里，有一對兒一對兒的粒子出現(xiàn)，這些粒子不是咱們生活里實(shí)打?qū)嵉脑?、分子，人們用各種先進(jìn)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，倆人要么同生，要么共死——撞到一塊兒灰飛煙滅了（下圖中的 1）。

但是因?yàn)樗鼈兛拷撕诙?，這時(shí)候，這對虛粒子 CP 當(dāng)中，有一個(gè)人可能就會先掉進(jìn)黑洞里，而另一個(gè)人就“耍單兒”了，沒人跟她“共死”了。這時(shí)候，耍單兒的這個(gè)，有可能跟另一半共赴黃泉，也掉進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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，那為什么耍單兒的一個(gè)逃出來的時(shí)候，人類就可以“看”到它們、檢測到它們呢？這事兒就有點(diǎn)兒復(fù)雜了，我說一說你聽聽看，聽著懵也沒關(guān)系，不影響你對黑洞的理解：

這個(gè)虛粒子它逃出來的過程并不簡單，也是九死一生，在黑洞強(qiáng)大的引力之下，這個(gè)虛粒子會被提升，變成實(shí)打?qū)嵉牧Ｗ印?/strong>也就是黑洞變了個(gè)“魔術(shù)”，變出來一個(gè)實(shí)粒子。

一對兒虛粒子本來質(zhì)量加起來是零：m1 + m2 = 0

但是一個(gè)實(shí)的粒子有正的質(zhì)量：m1＞0

而質(zhì)量不會憑空產(chǎn)生，

所以掉進(jìn)黑洞的那個(gè)虛粒子就得是負(fù)的質(zhì)量：m2＜0

它的質(zhì)量給了黑洞，黑洞的質(zhì)量（M）就會變?。篗 + m2 ＜M

也就是說，你站在黑洞旁邊兒看黑洞，它仿佛是“吐出來”一個(gè)實(shí)粒子，然后黑洞的質(zhì)量還變小了。

霍金發(fā)現(xiàn)，黑洞 “吐” 粒子的速度是很穩(wěn)定的，就像水龍頭出水一樣。而所有吐出來的實(shí)粒子，就構(gòu)成了著名的 “霍金輻射”——黑洞并不是有進(jìn)無出，而仿佛是在邊吃邊吐，它吐出來的實(shí)粒子，變成了威力強(qiáng)大的 X 射線和伽馬（γ）射線。

霍金說，像一座山這么大個(gè)兒的黑洞，噴出來的射線，功率能達(dá)到 1000 萬兆瓦，這要是能用來發(fā)電的話，足夠整個(gè)地球用電的了。

06.

黑洞永生不死嗎？

知道了黑洞的“嘔吐”機(jī)制，你應(yīng)該有個(gè)不祥的預(yù)感了，黑洞這么 cool 的東西想要永生不死，也不過是癡人說夢罷了。

無數(shù)的虛粒子對兒一個(gè)掉進(jìn)黑洞、一個(gè)逃離黑洞，會導(dǎo)致黑洞的質(zhì)量變小，黑洞就像蒸發(fā)了一樣，個(gè)頭兒也會變得更小。

而且霍金說了，越小的黑洞，蒸發(fā)的速度就越快。

黑洞最終的結(jié)局是 —— 徹底蒸發(fā)干凈，消失在宇宙當(dāng)中。

這讓我想起花兒樂隊(duì)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于，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(jìn)去的東西一比，看上去半毛錢關(guān)系也沒有。

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……

如果你有什么不可告人的秘密，最可靠的不是 “樹洞” APP ，而是黑洞。

07.

黑洞真的會“焚書坑儒”嗎？

霍金的最后一篇論文說了什么？

可能在一些人眼里，黑洞就像“冬天里的一把火”，燃燒了整個(gè)“沙漠”，是一片“不毛之地”。

過去科學(xué)家也這么看，所有的黑洞沒什么區(qū)別，就像所有的沙漠沒什么區(qū)別。他們給黑洞起了個(gè)形象的稱號，說它“無毛”（no hair）。

一個(gè)黑洞，不管它吃進(jìn)去的是人，是動(dòng)物，是電腦，是漢堡包，還是一顆星球，它表現(xiàn)出來的樣子好像都是一樣的，只有三點(diǎn)不一樣，質(zhì)量、角動(dòng)量，還有電荷。這樣一瞅，黑洞倒像是一個(gè)穿著毛衣跳舞的姑娘。

質(zhì)量（M），大的小的？—— 姑娘是胖還是瘦？

角動(dòng)量（a），黑洞是靜止的，還是旋轉(zhuǎn)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(gè)黑洞和另一個(gè)黑洞，只有這 3 點(diǎn)區(qū)別。

至于姑娘肚子里裝了啥，是裝了頓晚飯，還是揣著個(gè)娃，不重要，你也看不見。

過去科學(xué)家一直相信這個(gè) “無毛定理” ，一個(gè)黑洞只由這 3 個(gè)東西決定。

但是問題就來了，因?yàn)楹诙窗褨|西吞進(jìn)去以后，關(guān)于這些東西的信息就憑空消失了。

這不科學(xué)，非常的不科學(xué)。

科學(xué)家相信，信息（information）是不會憑空丟失的。

信息真的丟了嗎？霍金一開始也這么覺得，好吧，應(yīng)該是真丟了。 

直到他后來一折騰，自己把自己給推翻了，他說：黑洞不是“無毛”的，黑洞——就像一個(gè)已經(jīng)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，信息還是守恒的。

黑洞的軟毛，很有可能就是黑洞的第 4 個(gè)重要特征 —— 一個(gè)穿著毛衣跳舞的姑娘，請不要忽視她的一頭 “秀發(fā)” 。

霍金生命最后的歲月里，就在研究黑洞的“秀發(fā)”，他的最后一篇論文也跟這個(gè)有關(guān)系，但是他的突然去世，導(dǎo)致他所開辟的這條道路，只能交給其他人在未來完成了。

弄懂了這個(gè) “軟毛” ，你就知道了關(guān)于黑洞的終極秘密。

從 2016 年開始，霍金就提出來“軟毛”這個(gè)說法，所謂的“軟毛”是一些粒子。

每當(dāng)有一個(gè)帶電的粒子掉進(jìn)黑洞里面，就會給黑洞增加一根軟毛，它可以是一個(gè)“柔軟的光子”（a soft photon），跑到離黑洞很遙遠(yuǎn)的地方，跑到“大圓盤子”——事件視界的外頭。

打個(gè)不一定恰當(dāng)?shù)谋确剑憧梢园衍浢闯墒堑暨M(jìn)黑洞的東西，在黑洞外頭留下來的一點(diǎn)蛛絲馬跡，一個(gè)拋向遠(yuǎn)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，那么“掃描二維碼”，應(yīng)該就可以知道“掉進(jìn)黑洞的粑粑長什么樣子”。

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。

霍金去世以后，在他最新發(fā)表的論文里，霍金找到了一種新的方法，可以計(jì)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(shù)量的“軟毛”。所以霍金說，黑洞不止 3 個(gè)特點(diǎn)：質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量。很可能還有第 4 個(gè)特點(diǎn)，也就是這些軟毛?；艚疬€給它們起了個(gè)學(xué)名，叫“超平移電荷”（supertranslation charge），感興趣的話你可以查查看。

這個(gè)軟毛理論最了不起的地方就在于，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(jìn)去看看黑洞里頭是什么，卻忽略了，黑洞儲存的信息不一定都在里頭，而很有可能是有一部分留在了外頭。

在這個(gè)意義上，黑洞倒不像一個(gè)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，那么黑洞信息丟失的問題可能就解決了。

不過最后我還得提醒你一點(diǎn)，霍金自己也說，他只是把解決這個(gè)問題的方向給指出來了，他做了一些基礎(chǔ)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(jìn)。

如果你能理解剛才說的這部分內(nèi)容，相信我，全宇宙關(guān)于黑洞最前沿的知識，你都已經(jīng) get 到了。

08.

霍金為什么要花大半輩子研究黑洞？

到這里，如果你只是來看黑洞科普文的，那關(guān)于黑洞本身的知識我都已經(jīng)介紹完了。接下來的一點(diǎn)內(nèi)容，我想跟你聊聊研究黑洞的意義。

一個(gè)黑洞，看不見、摸不著、離我們八丈遠(yuǎn)、想找一個(gè)都費(fèi)勁，研究它有什么用？

為什么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，理解黑洞是怎么回事，跟我的個(gè)人生活有關(guān)系嗎？

在這兒，我想說：沒錯(cuò)，黑洞一點(diǎn)也不靠譜，到現(xiàn)在也沒弄清楚，而且未來可能相當(dāng)一段時(shí)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么談資，更不能讓你的老板賞識你。

可是它依然值得研究。

因?yàn)槲覀兪侨祟悺?br/>
因?yàn)楹诙刺厥饬耍锌赡芙沂境鲇钪娴慕K極秘密。

在整個(gè) 20 世紀(jì)，有了愛因斯坦的相對論，有了量子力學(xué)以后，很多科學(xué)家都在追求一件事：找到一套“萬有理論”（Theory of Everything，簡稱ToE）。

什么是“萬有理論”？電影里的霍金親自給出了答案：

One
Single
Equation.

對于科學(xué)家來說，沒有什么比這個(gè)更誘人的了。

它倆加在一起，幾乎就要實(shí)現(xiàn)霍金的夢想了。

但可惜的是，這兩套理論水火不容。

廣義相對論在這里適用，在那里就不適用；
量子場論在這里不行，卻在那里行。

換句話說，它倆不可能是同時(shí)正確的。

比方說
在尺寸特別小的地方，
在質(zhì)量特別大的地方，
這種劇烈的矛盾沖突就很明顯。

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(jīng)過去了，而黑洞還在。

所以黑洞，是萬有理論最好的試驗(yàn)場之一。

如果一套理論，放在大尺度的地方?jīng)]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。

這也就是為什么關(guān)于霍金的電影，不叫《霍金傳》，不叫《科學(xué)家的故事》，而叫《萬物理論》（The Theory of Everything）。

電影，就像我們未實(shí)現(xiàn)的夢。
而萬有理論，就是霍金一生都沒有做完的夢。

現(xiàn)在，他要到天上去做了。

有人會問：我們?nèi)祟悾娴哪苷业揭粋€(gè)萬有理論嗎？用一個(gè)公式，解釋整個(gè)宇宙？

有人會說：這是不可能的，是癡人說夢，是理工男統(tǒng)治世界的妄想。

而我想說：如果你連想都不敢想，你怎么可能找到它呢？

這個(gè)社會上有很多現(xiàn)實(shí)的人，他們總是告訴我們：什么事情是不可能的。他們安于現(xiàn)狀。

如果說這些人跟霍金的差距在什么地方，我覺得是兩個(gè)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(xiàn)實(shí)世界 籌劃到想象世界的能力。

我們看到這世上每一個(gè)了不起的人，霍金、喬布斯、馬云……他們?yōu)槭裁戳瞬黄穑?br/>
因?yàn)樗麄兛吹搅宋覀儧]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(xué)有用嗎？沒用，一點(diǎn)用也沒有?；艚甬?dāng)年寫一本《時(shí)間簡史》，是因?yàn)楫?dāng)宇宙學(xué)老師掙得少，想拿這本書的稿費(fèi)貼補(bǔ)貼補(bǔ)家里，因?yàn)槠拮右粋€(gè)人照顧這個(gè)家，實(shí)在是太辛苦了。

可你說宇宙學(xué)就真的沒有用嗎？如果說人類視域的極限在哪里，那除了浩瀚的宇宙星空，你還能給出第二個(gè)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象力，

因?yàn)橛钪娴谋M頭在哪里，你的 Vision 就在哪里。