第一張黑洞照片是否隱瞞了什么?
發表時間 2019-04-23 16:15 來源 未知

  


  梅曉春(1) 黃志洵(2)

  (1)福州原創物理研究所

  (2)中國傳媒大學信息工程學院

  2019年4月10日,由多國天文學家合作的事件視界望遠鏡項目組(EHT),公布的一張黑洞照片,風靡全球。它被稱為人類拍到的第一張證明黑洞真實存在的照片,并被認為再次證實了愛因斯坦引力理論。

  我們不否認該項目研究人員付出的努力和取得的成就,能得到這樣的照片是一個很不容易的事情。但這其中也存在很多疑問,我們在此提出三個問題,希望參與實驗的天文學家能夠解釋,并借此機會讓公眾了解事情的真相。

  一.照片中的黑洞是真黑的嗎?

  這張黑洞照片(見圖1)是用全球不同地點上八臺射電天文望遠鏡,對室女座的M87星系(又稱梅耶87星系)中心同時進行觀測,將收集到的數據進行進行兩年的分析和綜合處理,在計算機上合成得到的。因此它不是真正的黑洞照片,當然這并不重要,重要的是圖中的黑色區域代表什么意義。
 

  圖1. 第一張黑洞照片(中間黑暗區是M87星系的中心)
 

  在一般人的印象中,天文望遠鏡是觀測天上星光的儀器,接收的是可見光。射電天文望遠鏡與光學望遠鏡有所不同,是收集宇宙天體發射的無線電波的望遠鏡。在天文學的早期,沒有人想到宇宙天體也會發射無線電波。直到1930年,美國貝爾電話公司的工程師卡爾·央斯基,發現來自銀河系人馬座方向的無線電噪音后,才引起人們的注意,并逐漸發展到現在的具有舉足輕重的作用射電天文學。上世紀六十年代的四大天文發現:類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射,都是利用射電天文望遠鏡獲得的。

  我們知道,人的肉眼能看得到的是可見光,波長為0.4 ~ 0.78微米(1微米為百萬分之一米)。波長比可見光短的是紫外線,X射線和伽馬射線。波長比可見光長的是紅外線,遠紅外線,微波,高頻無線電波,中頻無線電波和低頻無線電波。廣播、電視、手機等發射和接收的,是中低頻無線電波,波長在幾百上千米的量級。射電天文望遠鏡用的高頻無線電波,波長在厘米和毫米級。在天體的光譜發射中,射電波只占其中非常小的一部分。只是由于這種無線電波穿透地球大氣的能力比可見光強,用來觀測天體有它的優勢。

  EHT實驗組的射電天文望遠鏡采用的是亞毫米波段,嚴格地說是1.3毫米無線電波。因此這次公布的黑洞照片,只針對波長為1.3毫米無線電波而言,圖1中心區域的的無線電波發射能力很弱,我們只能在這種意義上說它是黑的。至于其他范圍更廣的波段上是否存在輻射,圖片中心區域對其他波段的輻射是否也是黑的,EHT實驗組并沒有給出說明。因此我們有什么理由認為,圖1是一張真正的黑洞照片呢?
 

  圖2. M87星系的光學照片
 

  事實上,用哈勃天文望遠鏡拍的M87星系的光學相片是圖2,在其中心區是非常明亮的,根本看不到黑影。要證明它的中心存在類似與圖1黑洞,就必須證明在這個區域中沒有任何波長的光發射。因此所謂的第一張黑洞照片存在誤導大眾的嫌疑,它只是對于1.3毫米的波段,這個區域是黑洞,并沒有證明這個中心區域對其他的波段的輻射也是黑的。如果采用紅外光波段,可見光波段,紫外線波段,甚至X射線波段拍攝,這個區域也是黑的嗎?這顯然是不太可能的,至少EHT實驗組目前沒有證明這一點。

  因此圖1不是一張真正的黑洞照片,要證明它是一張真正的黑洞照片,需要更多的證據。EHT實驗組為什么就不能實話實說呢?這樣淺顯的道理,為什么就不懂呢?

  二.黑洞照片中為什么沒有噴流的射電輻射?

  圖1 的黑洞照片還有一個明顯的漏洞。從圖2右上方看出,M87星系中心有一條巨大噴流向外噴出。這在圖3中看得更清楚,它是哈勃天文望遠鏡拍攝的M87照片。圖中有一條藍色噴流,其長度比M87 星系的直徑還要長,并且是直接從星系中心噴出,場景非常壯觀,顯示存在異常劇烈的天體物理學過程。
 

  圖3. 哈勃望遠鏡拍攝的M87星系噴流照片
 

  按照目前的天體物理學理論,射電天體發射無線電波的機理如圖4所示。在星系中心前方有大片的氣體星云,星云內有磁場。噴流中的帶電粒子在磁場作用下被迫做旋進運動,根據麥克斯韋經典電磁場理論,就會發射電磁波。由于噴流中帶電粒子的運動速度接近光速,就會發射出很強的無線電波,其強度可以超過帶電粒子產生的可見光的強度。事實上,在目前的天體物理學中,天文學家主要依靠觀測噴流過程產生的射電波來發現射電天體。
 

  圖4. 射電天體發射無線電波的物理機制示意圖
 

  比如最早的射電天體天鵝座A,就是通過這種噴流的射電輻射發現的。它是宇宙中離地球最近、最壯觀、最強大的射電星系(見圖5)。兩個巨大的紅色的瓣狀結構,代表射電輻射。射電波通過狹長的噴流與中心橢圓星系相連,從一個瓣到另一個瓣的空間距離超過30 萬光年。雖然噴流與星系中心的連接線沒有圖3那樣明顯,但它的存在使毋庸置疑的。圖中心的白色區域隱約可見一條紅色細線,從星系中心射出,直接與右邊的紅色區域相連。無線電波輻射的強度是非常可觀的,而且顯然是從星系中心發出的。藍色區域則為X射線輻射,具有橢球狀分布。可見光頻段的輻射卻很少,幾乎觀測不到。
 

  圖5. 天鵝座A的射電輻射。紅色為無線電波輻射,藍色為X射線輻射。
 

  在圖4的黑洞吸積盤上,繞星系核運動的物質主要發射紅外光,可見光和X射線等。雖然它們也會發射無線電波,但與噴流過程相比,發射無線電波的強度要小很多。在圖1中,圍繞黑洞中心區域的紅色光圈實際上也是代表無線電波。它們原本都是看不見的,為了顯示它們的存在,EHT實驗組將它們涂上紅色,看上去給人的錯覺是,黑洞周圍的物質發出可見光。

  然而奇怪的是,在圖1的黑洞照片中,我們根本看不到M87發射無線電波的痕跡。圖3中那條藍線對應的射電波信號哪里去了?按道理,在圖1 中應當有一條色彩強烈的紅黃帶,從黑洞中心斜穿到右上角,但卻完全看不到,一點痕跡都沒有。

  因此圖1的黑洞圖像是不真實的,至少是不完全的,EHT實驗組一定隱瞞了什么東西。尤其是從圖2和圖3看出,這條噴流包含強烈的可見光,不能排除存在紅外光和紫外光等其他頻率的輻射。不論望遠鏡采用什么工作頻率進行觀測,都一定會在照片中留下痕跡。由此推斷,圖1中原來應當有一條從黑洞中心向外輻射的射線,但圖像卻被刪除,以免黑洞只進不出的饕餮形象被顛覆。

  因此EHT實驗組存在嫌疑,故意刪掉從黑洞中心向外輻射的無線電波圖像。這樣做的動機是可以理解的,否則從黑洞中心向外吐出一條巨大的金黃色洪流,這張相片怎么可以稱為第一張黑洞照片呢?

  這里就涉及到所謂的黑洞到底是一種什么東西?以及第一張黑洞照片是否證實愛因斯坦理論的廣義相對論的問題。以下我們來討論。

  二.黑洞照片證實愛因斯坦廣義相對論了嗎?

  首先要指出的是,所謂的黑洞不是愛因斯坦引力理論獨有的,牛頓引力理論中也有黑洞。牛頓力學的黑洞如圖6的左圖所示,它是兩百多年前由拉普拉斯提出來的,指的是如果一個天體的質量足夠大,其中光是無法透射出來的。牛頓黑洞與愛因斯坦黑洞半徑的計算公式完全一樣,但二者的物理圖像完全不一樣。奇怪的是,現在的相對論專家總是告訴大家,黑洞了是愛因斯坦提出來的,根本不提牛頓黑洞。
 

  圖6. 牛頓經典黑洞和愛因斯坦奇異性黑洞
 

  愛因斯坦黑洞則如圖6的右圖所示,它具有奇異性。黑洞的中心是一個體積無窮小的奇點,物質被壓縮到一個點,密度無窮大。黑洞邊界即所謂的施瓦西半徑,施瓦西半徑內部是真空。愛因斯坦黑洞是一個非常扭曲怪誕的東西,除了物質密度無窮大,最不可理喻的一點是,在黑洞內時間和空間要互換。通俗地說,就是說時間變成空間,空間變成時間。這種事情違背人類最基本的常識,與人類最基本的經驗事實背道而馳,完全不可理喻。一個還點思維判斷能力,理智尚存的人,怎么可能相信宇宙中存在這種東西?

  如果第一張黑洞照片證實了愛因斯坦理論,就請相關研究人員解釋一下,在照片中哪里看出,黑洞內的物質被壓縮到一點,視界內的其他點上是真空?同時請他們解釋一下,從哪里看出黑洞內部時間變成空間,空間變成時間?如果他們給不出解釋,憑什么認為,這張黑洞照片證實了愛因斯坦黑洞理論呢?

  相反,如果照片中是牛頓黑洞,則一切都是正常的。根據EHT實驗組提供的數據計算,M87星系中心黑洞的質量是65億個太陽質量,半徑為10的13次方米,質量平均密度則為每立方米0.8千克。注意到地球表面大氣密度為每立方米1千克,M87中心黑洞的密度比地球表面大氣密度還低,遠遠不如太陽表層的物質密度。因此它一點也不嚇人,與一般人想象的黑洞情況根本不一樣。

  為什么會這樣呢?因為根據黑洞半徑公式計算,大黑洞的物質密度可以很低,小黑洞的物質密度才會很高。事實上,可以把我們目前觀測到的宇宙看成一個牛頓黑洞。在宇宙外部看,光線也無法逃脫。但在宇宙內部一切正常,太陽照常發光,地球照樣繞著太陽轉,人類照常生活。這就是牛頓黑洞與愛因斯坦黑洞的本質差別,大家還會相信愛因斯坦黑洞存在呢?

  事實上,由于愛因斯坦引力場的非線性特征,用它來的計算物質繞黑洞運動是非常困難的,可以說幾乎不可能的。因此目前天體物理學計算黑洞外吸積盤上物質的運動時,采用的實際上是牛頓引力的方法,最多加上一點洛倫茲變換。在這種情況下,洛倫茲變換具有絕對性,與愛因斯坦相對論無關。對于這種現狀,相對論學者嘴上不說,實際上是心知肚明的。牛頓引力理論與愛因斯坦引力理論不是近似關系,而是完全不相容的兩個體系。一個用力來描述引力,另外一個用時空彎曲來描述引力,它們是根本無法捏在一起的。愛因斯坦引力理論漏洞百出,在實際應用上是根本無法與牛頓理論抗衡的。雖然牛頓引力理論也需要改進,但不是愛因斯坦那種怪誕的改進。

  中國科學院高能物理研究所研究員張雙南先生,是研究愛因斯坦黑洞的專家。他在2014年寫的文章《恒星級黑洞的觀測論證和基本參數測量》一文中,將黑洞分成數學黑洞,物理黑洞和天文黑洞。言下之意,就是認為愛因斯坦奇異性黑洞是數學上的東西,在實驗上是不可觀測的,在物理上是難以實現的。這種說法雖然是猶抱琵琶半遮面,但也反應了相對論學者某些真實的想法。他們明知愛因斯坦理論不對勁,卻仍然不得不繼續做下去。

  本文筆者之一梅曉春,曾多次參加國內的引力物理學術會議。常聽到有些學者在會上發言時,對愛因斯坦理論贊美有加。等他們下來后就上去問,你的計算用的到底是牛頓理論還是愛因斯坦相對論?對此他們會馬上避口不談,拱手相讓,并逃之夭夭。難言之隱,顯于言表。

  在優酷視頻中還可以看到,美國斯坦福大學的一位名物理教授,在大課堂上講授愛因斯坦黑洞的理論。一位學生站起來說,按照你的意思,黑洞中時空坐標互換,就是將一把尺子丟進黑洞,它會變成鐘。此話引起哄堂大笑,搞的那位教授面紅耳赤,立馬宣布下課,夾著講義走人。

  這第一張黑洞照片,還讓人想起前兩年美國LIGO的引力波發現。LIGO實際上只是在兩個相距三千公里的激光干涉儀上,差不多同時發現了兩個相似波形。通過與愛因斯坦引力理論進行數值擬合,他們就認為接受到引力波的圖像。并大張旗鼓地向全世界宣布,探測到13億年前在13億光年之外的宇宙遠處,兩個黑洞碰撞產生的引力波,他們接受到引這個力波。并認為他們完成了愛因斯坦引力理論的最后一塊拼圖,證實了愛因斯坦彎曲時空引力理論。全然不顧他們根本沒有在天文觀測上發現任何相應的天體物理學現象,所做的只是一場計算機數值擬合和圖像匹配游戲。

  耗費國家的大量科研經費,科學家們需要向社會有個交代,尤其是需要提供真實的研究結果。哪怕什么也沒有得到,總比進行欺騙好吧。社會大眾有權要求知道真相,誰也不愿意被人蒙在鼓里,還要掏腰包。對于第一張黑洞照片,就以上提出的三個問題,我們希望相關研究人員對社會大眾有個解釋。

  尤其是,照片中原來應當存在的,那條從黑洞中心向外噴出的射線哪里去了?如果這條射線實際存在,不但會顛覆了第一張黑洞照片的稱號,而且危及愛因斯坦廣義相對論。如果黑洞會向外輻射電磁波,還是黑洞嗎?黑洞還有視界嗎?愛因斯坦黑洞理論還能成立嗎?

  在宣布第一張黑洞照片的現場,上海天文臺臺長沈志強在接受解放日報新聞記者專訪時說:“愛因斯坦是對的,他在一百多年前提出的廣義相對論經受住了考驗”。上海天文臺副臺長袁峰則說“第一張黑洞照片與引力波的發現同等重要,都是對廣義相對論的驗證,可能會拿諾貝爾獎。”

  我們并不關心這個項目是否會拿諾貝爾獎,LIGO引力波探測純屬造假,也拿了諾貝爾獎。我們關心的是,這張黑洞照片的真與假。因此請問沈志強先生和袁峰先生回答以下三個問題:

  1. 如果不是采用1.3毫米波段,而是采用其它頻率做觀測,比可見光波段,這張黑洞照片還是黑洞嗎?

  2. 照片中原來應當存在的那條無線電波射線哪里去了?

  3. 在照片的什么地方看出物質被壓縮到成奇點?從哪里看出黑洞視界內是真空?從哪里看出視界內時間和空間互換?如果都看不出來,憑什么認為這張照片證實了愛因斯坦黑洞理論?

  關于第一張黑洞照片,美國田納西州大學物理天文系終身教授,王令雋先生也寫了一篇文章,與筆者有相同的看法,并提供更多的證據,證明愛因斯坦廣義相對論是不可能成立的。筆者特將這篇文章附于本文之后,供讀者參考。

  關于 EHT 黑洞照片答黃志洵教授

  王令雋 2019年4月13日

  作者按:EHT黑洞照片公布以后,媒體和自媒體上都在熱議。我的許多朋友自然來信問及。我在微信群里做了一點簡短回答。昨日國內一位黃教授來信詢問此事,深表關切。黃教授一直對祖國的科學事業和發展前景非常關心,雖然年事已高,仍然沒有放棄對科學事業的責任,使我非常感動。于是我寫了一篇比較詳細的答復。我想,海內外一定有不少網友也對此非常關心,所以將這封復信中的方程式去掉,弄成一個可以放在華夏文摘上的稿子,以饗讀者。歡迎各位網友的批評指正。

  黃老先生,您好!

  您所說的EHT黑洞照片,媒體最近確實炒得很厲害,成了熱門話題。立即有一些朋友通過自媒體問及,我也作了一些簡短回答。我想關心這個問題的朋友很多,于是就不揣淺陋,對廣義相對論的黑洞問題作個比較詳細的介紹。

  在愛因斯坦提出廣義相對論以前,早在18世紀黑洞問題就被約翰米歇爾和皮理塞蒙拉普拉斯考慮過。道理也非常簡單。我們知道,圍繞太陽旋轉的物體之所以不會飛出太陽系,是因爲萬有引力的約束。萬有引力等於向心力。向心力正比于速度的平方。速度越大,向心力越大。但是物體的速度是有限的。當時人們知道的最快的速度是光速。雖然當時還沒有相對論,也沒有光子的概念,但是光速似乎是一個實際上很難超過的速度極限。所以,人們自然會問,會不會有這樣的情況,就是某個星球的引力可以大到即使物體以光速邉右矡o法逃脫的程度?這種情況理論上是存在的。

  比如說,如果太陽的所有質量收縮到半徑只有1.5公里的小球(經典的黑洞半徑相當于施瓦茲查爾德半徑的二分之一)的時候,一個太陽表面的物體即使以光速運動,也無法掙脫太陽的引力而逃逸。此時“太陽黑洞”的物質密度高達每立方米2.3乘以10的18次方公斤。如果地球的所有質量收縮到半徑只有4.5毫米的小球的時候,在這小球表面以光速運動的物體也無法掙脫地球的引力而逃逸。此時“地球黑洞”的物質密度高達每立方米2.5乘以10的29次方公斤。

  為了對這么高的物質密度有點物理概念,我們以中子的質量密度作個比較。中子的質量為一個原子單位,半徑約為一個費米,所以中子的質量密度約為每立方米4乘以10的17次方公斤。中子星的密度應該在這個數量級。地球的實際密度約為每立方米5.5噸(和石頭的密度差不多)。太陽的實際密度約為每立方米1.4噸,比水的密度高出40%。所以,就從質量密度來看,黑洞的概念也是不可思議的。

  上面以經典理論討論“黑洞”問題,顯然有一個必要的大前提,那就是受黑洞吸引的物體必須有質量,必須服從萬有引力定律,否則整個推理從一開始就不成立。即使我們把光看成是光子束,因為光子的質量等于零,光子也不受萬有引力的約束。其次,經典電磁作用力和萬有引力是相互獨立的兩個基本作用力。電磁場和電磁波無論在理論上還是實驗上都和萬有引力無關。光就是可見頻譜段的電磁波。它不服從萬有引力定律,所以,光不存在逃離引力的問題。因此,即使存在經典意義上的“黑洞”,光子也是可以逃離的。經典物理中的光根本就不是物質,而僅僅是電磁波。

  那么,廣義相對論中為什么光子就受萬有引力約束呢?因為愛因斯坦假定光子在引力場中的運動遵守短程線。這是一條追加的基本假定,不是從黎曼幾何推導出來的,也不是從廣義相對論的引力場方程推導出來的。廣義相對論中的黑洞和經典的黑洞意義不一樣,所以,我們先從愛因斯坦的引力場方程看看廣義相對論意義上的黑洞是怎么一回事。我先說一條原則:黑色天體不一定是廣義相對論意義上的黑洞。廣義相對論意義上的黑洞必須符合兩個本質特性:1)在黑洞的邊界上引力無窮大;2)在黑洞里面時間和空間反轉,時間變成空間,空間變成時間。如果不能證實這兩點本質特性,僅僅展示一張黑圈圈圖片,不足以說明那就是黑洞,就認為驗證了廣義相對論。閃光的不一定是金子,不閃光的不一定是黑洞。

  愛因斯坦引力場方程式形式上看似簡單,其實是一個包含六個獨立方程的非常復雜的非線性二階偏微分方程組。如果把邊界條件和初始條件的復雜性加進來,任何數學家都只能望洋興嘆。愛因斯坦建立了這個方程以后,自己都找不到一個解析解。不久,施瓦茲查爾德找到了一個最簡單的邊界條件下的解,也就是球對稱質量的靜止引力場。在施瓦茲查爾德解中,如果半徑等于2GM除以光速的平方,則施瓦茲查爾德解中半徑微分元 dr的系數分母為零,度規張量無窮大發散,整個解沒有意義。

  這個特殊的半徑值 rs 叫施瓦茲查爾德半徑,是施瓦茲查爾德解的一個奇點。在這個半徑以內的物體,即使速度等于光速也沒有足夠的能量克服引力而飛出,即使光子也不能飛出這個區域,所以這個區域叫“黑洞”。施瓦茲查爾德半徑定義了一張三維球面,叫event horizon,也就是黑洞的邊界。在黑洞邊界以內的任何物體都不能逃逸黑洞引力的束縛,就連光子也不能逃逸。最近中國媒體上把event horizon譯為“事件視界”而不是黑洞邊界,也通,就是更為玄乎,讓一般讀者不知所云。EHT望遠鏡的意思就是Event Horizon Telescope 的英文字頭縮寫。

  除了奇點問題以外,“黑洞”還有一個本質特征, 就是黑洞里面時空反轉。空間坐標微分 dr 的系數是正的,變為時間坐標微分;而時間坐標微分 dt 的系數和dq, df 一樣,都是負的,一起構成三維空間坐標微分。這就是時空反轉現象。有人認為,dr 的系數變成正的,只不過是“timelike” 而已,不是真的變成了時間;同樣, dt 的系數變負,只不過是 “spacelike”而已,不是真的變成了空間。這些先生們用“timelike” 和 “spacelike”這樣的字眼來淡化一個嚴重的悖論,以維護愛因斯坦和相對論的尊嚴。殊不知,dr 和 dt 的符號反轉以后,黑洞里面的時空就根本不是贗歐幾里得時空或者贗黎曼時空了,也不符合洛侖茲協變性了。時空反轉是比無窮大發散還要荒唐的佯謬。

  施瓦茲查爾德解在奇點無窮發散和黑洞內的時空反轉是愛因斯坦引力方程的根本性的困難。所以擁護相對論的理論家們便想盡辦法回避或者挽救。采取回避策略的一個代表是粒子物理標準模型的奠基者之一,諾貝爾物理獎得主斯蒂文溫伯格。他根本否認施瓦茲查爾德奇點的存在[參見Steven Weinberg, Gravitation and Cosmology, John Wiley & Sons, 1972, ISBN 0-471-92567-5]。我也否認黑洞的存在,理由是無窮發散和時空反轉的邏輯背理。所以我的否認和溫伯格的否認不太一樣。他否認愛因斯坦引力場方程的奇點問題是為了維護愛因斯坦和廣義相對論。我否認宇宙中存在廣義相對論預言的黑洞,但不否認廣義相對論理論的奇點和時空反轉,目的是為了揭示廣義相對論的謬誤。

  雖然廣義相對論存在度規張量無窮大發散和黑洞內部時空翻轉這樣的根本性問題,學界不僅沒有質疑,反而掀起了研究黑洞的高潮,黑洞研究居然成了理論物理和天體物理研究的顯學,形成了一個國際性的產業。在黑洞研究的高潮中,霍金成了一個成功的弄潮兒和這一產業中的最大受益者。他的成名,就是所謂的“霍金輻射” 和“霍金蒸發”。霍金的這些“發現”,其實并不是發現,而是發明。不存在的東西是不可能被發現的,但是卻可以被理論家們發明出來。霍金是如何發明出“霍金輻射”的呢?

  他假定,在黑洞邊界外面的鄰近區域,由于海森伯測不準原理的神奇功能,會從真空中無中生有地產生正負粒子對。其中一個粒子會進入到黑洞,另一個會跑出去成為信息的源泉。所以遠處的觀察者可以觀察到黑洞。這就是轟動宇宙學界的“霍金輻射”。這項工作為霍金贏得了意想不到的名利。1980年他被聘為劍橋大學的Lucasian講座教授(牛頓,狄拉克都曾任這個講座教授),名聲大噪。

  2004年霍金公開承認自己30年前提出的黑洞理論的錯誤。十年后,他索性否認黑洞的存在,認爲黑洞和量子力學不相容。他在與《自然》雜誌的訪談中說:“在經典理論中物質無法從黑洞中逃脫,可是量子理論容許能量和信息從黑洞中脫逃。” “正確的答案仍然是個謎。” 2014年他在arXiv上貼出的文稿中說:“不存在黑洞邊界(event horizon)就意味著沒有黑洞”,說黑洞理論是他一生鑄成的“大錯”(biggest blunder)。

  霍金被捧為“愛因斯坦之后最偉大的天才”和黑洞理論祖師爺。霍金認錯并否認黑洞的存在,是不是意味著黑洞理論研究的終結,意味著全世界從此就吸取教訓,認識到跟著權威盲目地折騰有違科學研究的基本原則?不一定。說霍金是近幾十年來黑洞研究的領軍人物,他是當之無愧的。在他的旗幟下已經訓練了一支龐大的理論和實驗隊伍。而今霍金突然認錯,使得一直追隨他縱橫馳騁的戰士們陡然失去了戰斗目標,失落了戰斗的意義,不知如何是好。他們一直唯霍金的馬首是瞻,但是如果人們以為霍金認錯意味著黑洞理論和大爆炸理論從此就會從學術界消失,則是對理論物理學界的黑暗太不了解。

  黑洞理論和大爆炸宇宙學經過幾十年的發展,已經形成了一個包括理論和實驗隊伍的偉大產業。要想突然宣布破產,談何容易。這成千成萬的職工如何安置?盡管霍金已經被捧為頂級權威和明星,但是一旦他的言行危及到整個營壘的前途命運的時候,這個營壘是不是還將他的言論奉為圭臬,便是一個大問題了。我們有歷史的先例。愛因斯坦被主流認定為最偉大的科學家。可是當愛因斯坦拋棄他的宇宙因子以后,從事宇宙學研究的理論家們并沒有聽愛因斯坦的話,而是繼續高舉愛因斯坦的宇宙因子,用在大爆炸宇宙學中。他們并且認為拋棄宇宙項是愛因斯坦一生中所犯的最大錯誤。在愛因斯坦于1915發表他的廣義相對論后不到一個月,施瓦茲查爾德就寫信給愛因斯坦指出了黑洞問題。

  可是愛因斯坦本人從來不承認黑洞的存在,因為他知道黑洞邊界上的無窮大發散和黑洞里面的時空反轉是致命的理論佯謬。承認了黑洞的存在無異于徹底否認廣義相對論的整個理論。可是愛因斯坦的否認并不能阻擋后人包括惠勒和霍金等人大張旗鼓地研究黑洞,也不能阻擋克魯斯科創造多重宇宙和黑洞白洞蟲洞。同樣道理,黑洞巨星和權威霍金晚年否定黑洞的存在,認為黑洞研究是他一生鑄成的大錯,也不能阻擋后人繼續進行黑洞的研究項目。因為黑洞研究已然成為了一個國際性的產業。任何一個產業都有自我肯定和力求生存的本能。所以,黑洞研究和大爆炸理論研究還會在學術界存在相當長的時期。

  比如EHT(Event Horizon Telescope)就是一個多國合作的項目。參加者有來自十幾個國家和地區的幾百位科學家,聯網的有八個射電天文臺,其中美國三個,智利兩個,西班牙,墨西哥各一個,還有一個SPT在南極。SPT雖然聯網了,但是南極觀測不到M87星團。如果從建立各個射電天文臺的時間算起,也是幾十年的努力了。這么大的陣仗,僅僅憑霍金一句話,就停下來,怎么可能?發表一張宣稱是黑洞的照片,對于被大爆炸宇宙學控制而處境日益困難的天體物理學界,無疑是一劑強心針。媒體熱炒,是非常自然的。不少人估計這一工作會贏得諾貝爾獎,也是完全可能的。

  此前有LIGO引力波實驗贏得了諾貝爾獎,也有LHC的上帝粒子探測實驗獲得了諾貝爾獎,都是先例。像這種大規模的國際合作項目,無論人力物力都是其他科研項目無法比的。對其肯定與否,直接影響到社會對此類超大型科研項目(Big Science)的進一步支持。大家已經注意到了諾貝爾和平獎評審中的政治和社會因素。其實在諾貝爾物理獎的評審中,隨著研究項目的大型化和國際化,社會因素的分量也越來越重了。這使許多科學家不服氣,以為科學應該和政治無關。科學確實應該和政治無關,但是科學獎項的決定卻無法脫離政治與社會的因素,無法脫離人的因素。對此我們也要正視現實。

  要緊的是,我們要以平常心對待諾貝爾獎,不要以為一個工作一旦獲得了諾貝爾獎,就是絕對真理。諾貝爾獎只是主流學術界對當年工作的評比篩選,授予一個比較突出的工作而已。不見得這些工作就是真理或者歷史的定論。可以肯定,對于上帝粒子探測,LIGO引力波實驗和最近的EHT黑洞照片,歷史今后會有不同的評定。

  那末,我們怎么正確地認識這張公布了的EHT黑洞照片呢?其實很簡單,這就是一張天體照片,和廣義相對論毫無關系,也根本不能作為證實廣義相對論的直接證據。要和廣義相對論扯上關系,必須證明這張照片上的東西具有相對論黑洞的兩個本質特征:1)在所認定的所謂“黑洞”的邊界(Event Horizon)上時空度規無窮大發散;2)在這個邊界(Event Horizon)以內時間與空間反轉。如果不能證明這兩點,那就根本不能說這張照片就是廣義相對論黑洞。

  這張照片是地球上八個射電天文臺的亞毫米波觀測數據由電腦合成的照片,信號不在可見光頻段,所以所有的彩色都不是直接觀測的,而是根據數學模型模擬計算出來的。但是,這不是我要說的根本問題。我無意挑戰EHT團隊的敬業精神和學術誠實,也無意質疑這張照片的真實性。我也不排除宇宙間有非常大的黑色星云或者黑色星體的存在的可能性。但是,這些和廣義相對論黑洞毫無關系,除非你能證實你所觀察到天體具有邊界上的無窮大發散和內部的時空反轉。

  可是,EHT實驗團隊不是有理論團隊為實驗提供理論準備嗎?難道他們沒有證明他們所觀察的天體具有廣義相對論黑洞的本質特性?沒有,絕對沒有。沒有任何人能夠證明一個邊界上度規無窮大發散邊界內時空反轉的天體的存在。那么,這些理論家做了些什么理論工作呢?他們做的工作除了根據天體質量對黑洞進行分類以外,其他全部都是在廣義相對論黑洞邊界外邊做的文章。

  比如,霍金的“霍金輻射”就是發生在黑洞外面。霍金的學們和追隨者們在天體物理學文獻中發表的論文汗牛充棟,都是一些和廣義相對論無關的猜想。比如,如果你看到一種環狀或者盤狀的天體,便猜想這可能是一種旋轉的黑洞。如果你看到這環狀或者盤狀的天體中間有一條發亮的軸,可以進一步發揮想象力,猜想這是因為附近的氣體或者物質甚至星體被黑洞中心吸入,因為高速運動摩擦生熱,使得被吸入的物質一部分轉化成能量,沿著旋轉軸從兩邊射出。

  這些猜想有些意思,但都不是愛因斯坦的意思,也和廣義相對論無關。任何人對著一張天文圖都可以有不同的猜想。不信你對著馬頭星云凝視,然后讓您想象的翅膀盡情地飛翔,看看能想象出多少言之成理的動人故事。在近代和當代天體物理學界,許多猜想都盡量和廣義相對論掛鉤,唯其如此才能得到主流的認可和重視。科學上的猜想是允許的,有時候也是必須的,但是這里我們不能忘記科學的嚴謹,不要把“疑似支持” “有可能”隨便說成是“實驗證實”。

  一個前車之鑒就是愛丁頓的日食觀測實驗。他觀察到了掠過太陽表面的光線彎曲,便立即宣稱這種彎曲是太陽引力造成的,宣稱證實了愛因斯坦的廣義相對論,而完全忘記了日冕會像地球大氣一樣使光線折射彎曲。這一事件立即被泰晤士報在頭版炒作,成了相對論行時的最重要的歷史原因。另一個教訓是對宇宙紅移的解釋。哈勃觀察到了星體譜線紅移和距離之間大致的線性關系。哈勃立即解釋為紅移是因為天體運動造成的多普勒效應。這一解釋的直接結論就是整個宇宙在大約150億年前的半徑等于零,在此之前宇宙不存在。多普勒紅移解釋有幾個明顯謬誤的結果:1)無中生有的宇宙創造論;2)地球是宇宙的中心;3)宇宙膨脹速度超過光速。就是這樣一個對宇宙紅移不合邏輯的解釋,造成了宇宙學與天體物理近一個世紀的亂象。

  殊不知,運動不是造成紅移的唯一可能原因。還有一個可能的原因是宇宙媒質對光線的色散衰減。這個問題我在“Dispersive Extinction Theory”一文中有詳細的闡述。此文于2005年發表于Physics Essays, Vol 18, No2。我的DET理論中的宇宙是穩定的,在時間和空間上都是無窮的。既沒有宇宙的創生,也沒有宇宙的湮滅,也不需要地球位于宇宙中心。從愛丁頓的日食實驗和哈勃的宇宙紅移實驗的教訓,我們可以看到對觀測結果的正確解釋多么重要。在對待EHT電腦合成照片的解釋上,我們同樣必須堅持科學的嚴謹,否則后果是災難性的。

  我有一個數學界的朋友來信詢問說,你所說的時空反轉,是不是就是所謂的“timelike”, “spacelike”, “lightlike”?不一樣。玩弄這些詞匯是人們用來淡化時空反轉問題的嚴重性的手段,聽起來好像時空反轉不存在似的。“timelike” 和 “spacelike” 是在狹義相對論中用來表示兩個事件之間的因果聯絡關系。如果兩個事件離得很近,它們之間可以通過光線傳播建立因果聯絡,就說這兩個事件之間的關系是“timelike”。如果兩個事件離得很遠,它們之間即使以光線傳播也無法建立因果聯絡,就說這兩個事件之間的關系是 “spacelike”。至于“lightlike”,和廣義相對論黑洞里面的時空反轉毫無關系。

  廣義相對論黑洞中的時空反轉則是完全另一碼事。如上所述,它是因為黑洞里面的半徑r 小于施瓦茲查爾德半徑 rs 而造成時間微分元和半徑微分元改變符號。半徑微分元變成正的,成了時間微分元;時間微分元變成負的,和其他兩個空間坐標,也就是極角和方位角的微分元同樣都是負的,因而時間,極角和方位角三個坐標組成黑洞里面的空間。為什么微分元的符號如此重要?因為微分元的符號直接決定時空度規的結構。在狹義相對論里,物理的時空度規叫閔可夫斯基度規。這是一種贗歐幾里得度規,就是時間微分元與空間微分元符號相反。

  到底是時間微分為正還是為負是可以選擇的,但是一旦選定,空間微分必須是相反的符號。如果時間和空間微分元都是正的,則整個廣義相對論都要天翻地覆。所有微分元都是正的度規所描繪的空間叫歐幾里得空間。不包含時間的三維空間是歐幾里得空間。一旦包含時間,變成四維時空,就必須是贗歐幾里空間。時空微分的正負關系在廣義相對論里也是不能變的,因為根據廣義相對論的等效原理,引力場中任何一點的時空度規都可以通過一個坐標變換變成閔可夫斯基度規。或者說,任何一個時空點的曲面座標系都有一個贗歐幾里得坐標與之相切。這個等效原理的通俗說法是在一個自由落體的坐標系內好像引力不存在。

  凡是學過廣義相對論的朋友都應該知道度規張量的重要性。可以說,度規決定一切。給定一個度規,就決定了度規聯絡,黎曼張量,里奇張量,黎曼曲率,愛因斯坦張量和短程線方程,也就是說,時空度規決定了引力場的所有力學性質。正因為如此,得到了度規張量,就是得到了愛因斯坦引力方程的解。所以度規張量時空微分元的反號非同小可,不是玩弄語言稱之為“timelike”和 “spacelike”就可以把問題藏到地毯下面。謂予不信,這些朋友不妨做做黑洞里面和黑洞界面上的黎曼幾何,就知道厲害了。可以說,在黑洞里面連洛倫茲協變性都無法遵守,甚至無法定義。

  黑洞問題是認識廣義相對論謬誤的一個角度,要對廣義相對論做一個正確的評價,應該從不同角度全方位地深入地剖析其理論,實驗檢驗以及應用。可惜,在長達一個世紀的文獻中,這種綜合性的評論尚付闕如。2015年,在全球紀念愛因斯坦發表廣義相對論一百周年之際,我寫了一篇“One Hundred Years of General Relativity – A Critical View”,發表于Physics Essays, Volume 28, No 4, pp421-442,對廣義相對論場方程的建立,求解,線形近似,運動方程,實驗檢驗,做了一個雖然簡短但是相當徹底的分析,也談到了多重宇宙和黑洞,白洞,蟲洞以及時空穿越概念的引入以及近年熱門的量子引力話題。我把這篇文章的中文版 “廣義相對論百年”放在我的博客網站上,國內有些媒體也在轉載。

  希望我的這篇短箋能夠回答您老提出的問題。您雖然年事已高,仍然老驥伏櫪,志在千里,令晚輩不勝欽佩。前蒙推薦,使拙文能夠和祖國學術界廣大讀者見面,深表謝忱。足見先生對科學對國家的高度責任感和對后學的關愛。可以告慰您老的是,我的意見和工作慢慢得到了學界的關注,特別是在“One Hundred Years of General Relativity – A Critical View” 和 “Unification of Gravitational and Electromagnetic fields” 發表以后,關注度有明顯的起色。Scholars’ Press立即來信要我將統一理論成書出版。忙了幾個月,這本書終于出版了[Ling Jun Wang, Unification of Gravitational and Electromagnetic Forces, Scholars’ Press, 2019, ISBN 978-3-639-51331-8]。

  去年在維也納報告了統一理論以后,陸續收到十幾個會議邀請作關于統一理論的主旨報告。我選了幾個,將于今年夏天去參加赫爾辛基,柏林和倫敦的會議。最重視的是芬蘭物理學會和哲學學會。他們負責我參加會議的往返機票和食宿等一切費用,說明他們的熱情誠懇。他們希望我就物理學與哲學的關系做一個主旨報告,還希望錄像采訪,可見盛情。的確,理論物理學界之所以走入迷途,關鍵是自然哲學和指導思想的迷失。這點,我在《致中國物理學界建議書》中亦有表述。我感覺到,理論物理學界似乎在開始解凍。我好像看到了物理學復興的曙光。

  愿您老好好保重身體,以期負重致遠。

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