摘要：今天的故事，从 1971 年普林斯顿大学那间充满传奇的办公室开始，看科学巨匠们如何用最严苛的目光审视证据，只为确认——我们找到的，真的是那只传说中的宇宙怪兽吗？

今天的故事，从 1971 年普林斯顿大学那间充满传奇的办公室开始，看科学巨匠们如何用最严苛的目光审视证据，只为确认——我们找到的，真的是那只传说中的宇宙怪兽吗？

约翰·惠勒喜欢在普林斯顿大学那间洒满阳光的大办公室里踱步思考。这间办公室曾属于爱因斯坦，空气中似乎还残留着那位巨人的思想余温。但 1971 年的某一天，惠勒的步伐却带着一丝烦躁，一种兴奋与忧虑交织的复杂情绪。桌上摊着一份刚刚通过电传打字机传送过来的尚未发表的论文，标题是——《天鹅座 X-1 的观测证据及其物理含义》。

我们上期文章（汪诘｜黑洞史话 06：旋转的时空）说到，“乌呼鲁”卫星发现了一个奇特的射电源：天鹅座 X-1，一个看不见的、质量巨大的天体，正在贪婪地吞噬着一颗蓝色超巨星。这个发现，像一枚引爆的炸弹，把整个天体物理学界都炸开了锅。所有的间接证据，都指向了那个他刚刚在一次会议上即兴命名不久的、充满魔力的词——黑洞。这个词语的传播速度，比他预想的要快得多，但随之而来的，是巨大的责任和压力。

天鹅座 X-1 的 X 射线图像

突然，办公室的门被敲响了，还不等惠勒说出“进来”两个字，门被推开了。一个年轻人兴冲冲地走了进来，他金色的头发在阳光下显得格外耀眼，脸上洋溢着加州式的灿烂笑容。

“惠勒先生，您看到了吗？天鹅座 X-1！这简直就是奥本海默预言的完美应验，它应该就是一个完全引力坍缩体，哦，一个黑洞，对，一个真正的、存在于我们银河系中的黑洞！”

说话的，正是惠勒最得意的门生，未来的诺奖得主基普·索恩（Kip Thorne）。在惠勒看来，索恩是他所有学生中最乐观、最富激情的“信徒”，一个天生的理论物理学家，对宇宙的奥秘充满了孩童般的热情。他不像自己这一代物理学家，经历过两次世界大战，见证过理论的崩塌与重建，心中总带着一丝对自然的敬畏和怀疑。索恩这一代人，成长于物理学的黄金时代，他们相信数学的力量，相信理论可以揭示一切。

基普·索恩（Kip Thorne）

惠勒停下脚步，转过身，脸上却没有索恩预想中的兴奋。他指了指桌上的论文，用一种惯有的、充满哲学思辨的语气缓缓说道：“基普，坐。是的，我看到了。证据很有趣，但你不觉得……它太‘完美’了吗？”

索恩非常不解：“完美？这难道不好吗？这不正说明我们的理论是正确的吗？”

“不，孩子。当证据完美到像一部事先写好剧本的小说时，你就该小心了。”惠勒走到黑板前，拿起一根粉笔，他喜欢在对话中用粉笔来梳理思路，“我们看到的，只是一个看不见的东西在影响一颗恒星。你怎么就能百分之百地确定，那个看不见的东西，一定是我们理论中的黑洞呢？万一是某种我们还一无所知的、更奇特的天体呢？比如，一颗由夸克构成的星星？或者一颗由其他什么鬼东西构成的‘引力子星’？甚至，有没有可能，是广义相对论本身在那种极端条件下失效了？”

索恩笑了笑，说实话，他对导师的这种风格还挺熟悉的，惠勒永远在引导自己的学生从多个角度去考虑问题。不过，这次索恩没有向导师妥协，他说道：“老师，你又在扮演‘魔鬼的代言人’了。但所有的计算都指向了同一个结论，它的质量远远超过了任何中子星能够承受的上限！物理学中所有已知的支撑力都已经用尽了！它不可能是别的东西。”

惠勒看着索恩，眼神变得深邃起来，认真地说道：“计算有时候也会骗人，基普。它只会告诉你，在‘现有理论’的框架下，结论是什么。但一个真正的物理学家，必须时刻怀疑我们理论的根基。记住，一个科学理论最重要的特征是，它能够被证伪。在宣称我们找到了这样一个足以颠覆宇宙观的终极天体之前，我们必须用最苛刻的、最无情的标准，去审判它！我们必须穷尽一切可能，去证明它‘不是’别的任何东西，然后才能谦卑地宣布，它‘可能’是一个黑洞。”

惠勒的这种思想，源于 19 世纪著名哲学家休谟提出的观点，他说：当我们面对奇迹传闻时，不应当轻信，除非虚假的可能性比奇迹真实发生的可能性更低。这句话被认为是现代怀疑主义的宣言，对宗教信仰的冲击很大。这句话有时候也被我们叫做休谟公理，它与奥卡姆剃刀齐名。休谟公理的精神在惠勒这里得到发扬光大。卡尔·萨根在 1995 出版的《魔鬼出没的世界》中把休谟公理总结为一句更加通俗易懂的话：非凡主张需要非凡证据，这也是我特别喜欢的一句话。

大卫·休谟（David Hume）

索恩和他老师惠勒的这场对话，迅速演变成了 70 年代理论物理学界最核心的交锋。一方是以索恩为代表的“支持派”，他们相信，天鹅座 X-1 就是我们找到的第一个黑洞，所有的证据链条都已经完整。而另一方，是以惠勒，以及远在剑桥的霍金为代表的“怀疑派”，他们认为，在宣布这样一个颠覆性的结论之前，我们必须排除所有其他的可能性，现在还没到可以彻底排除的时候。

在我看来，这已经不仅仅是一个天体的身份之争，这关乎一个深刻的科学哲学问题：在物理学中，我们到底需要多强的证据，才能宣称自己发现了一个全新的事物？

很遗憾，这个问题并没有简单的答案，必须一事一议。比如说，要证明天鹅座 X-1 它到底是不是黑洞，科学家们至少需要经过以下的证据排查：

首先，天文学家们将望远镜牢牢地锁定在解开谜题的关键线索上——那颗明亮的蓝色超巨星 HDE 226868。虽然我们看不见那个神秘的伴星，但我们可以通过精确分析这颗蓝巨星的光，来推断出它那位“隐身舞伴”的所有信息。这就好比，虽然我们看不见风，但通过观察树叶的摇曳，我们就能知道风的速度和方向。

天鹅座 X-1（中心的巨大白色斑点）和天鹅座 X-3，后者是一个环绕中子星的吸积盘

分析的第一步是寻找多普勒效应。这个效应在我们日常生活中很常见。当一辆救护车呼啸着向你驶来时，你听到的警笛声会变得更尖锐（声波频率变高）；而当它离你远去时，警笛声会变得更低沉（声波频率变低）。光波也是一样。如果一个光源正在朝我们运动，它的光谱线就会向频率更高的蓝色端移动，这叫“蓝移”；如果它正在远离我们，光谱线就会向频率更低的红色端移动，这叫“红移”。

天文学家们夜以继日地观测，发现这颗蓝巨星的光谱，正在非常有规律地发生着周期性的红移和蓝移。这就像是它在对我们不停地“点头”和“摇头”。这个现象，是一个铁证，证明了这颗蓝巨星并非独自待在那里，它正在围绕着一个看不见的中心，跳着一曲优雅的宇宙双人舞。它一会儿朝向我们运动（蓝移），一会儿又背向我们运动（红移）。

天鹅座 X-1 概念图

通过精确测量光谱线来回移动的周期，天文学家们很快就确定了这场双人舞的“舞曲节奏”——轨道周期是 5.6 天。

知道了轨道周期，就可以给它“称重”了。距离我们如此遥远的天体，如何确定它的质量呢？

这里就要请出伟大的开普勒第三定律了。这条定律最初是由约翰内斯·开普勒在 17 世纪初通过观测火星运动总结出来的，后来被牛顿用万有引力定律赋予了坚实的物理基础。它告诉我们，在一个双星系统里，两颗星的质量总和、它们的轨道周期、以及它们的运行速度之间，存在着一个非常明确的数学关系。

现在，我们已经知道了轨道周期（5.6 天），又通过多普勒效应测出了这颗蓝巨星的最大运行速度（大约每秒 75 公里），再结合对这颗蓝巨星本身类型的分析，有了这些基本数据后，再通过一系列计算，那个看不见的“幽灵伴星”的质量，就可以被准确地计算出来。

当最终的计算结果出来时，所有人都倒吸了一口凉气。

那个看不见的伴星，其质量至少是太阳的 9 倍，最可能的数值，大约是 15 倍太阳质量！

这个数字，就是解开谜题的最后一块拼图。

我们回忆一下，物理学中已知的所有能够抵抗引力的力量，都已经有了它们的“承重极限”。电子简并压的极限，是 1.44 倍太阳质量（钱德拉塞卡极限）；更强大的中子简并压，其极限也不会超过 3 倍太阳质量（TOV 极限）。再往下，就是惠勒与索恩对话中提到的夸克，它也有简并压。这里顺便说一下，夸克的理论是 1964 年提出的，到了 1968 年被实验证实。钱德拉塞卡和奥本海默当年做计算的时候，都不知道夸克的存在。惠勒与索恩的对话发生在 1971 年，所以惠勒已经知道了夸克的存在。

但问题是，夸克简并压根据计算，也不会超过 3 倍太阳质量。你可能已经忘了科学家们是通过什么办法来估算简并压大小的。我再说一下，是根据光速极限的假设来计算的。只要光速极限这个法则无法被突破，那科学家就能计算各种简并压的上限值。实际上，到了夸克简并压的时候，粒子的速度已经接近光速极限，即便后面再有什么 xx 简并压，计算结果也都不可能超过 3 倍太阳质量。

而天鹅座 X-1 这个看不见的家伙，质量高达 15 倍太阳质量！它远远超过了任何依靠简并压维持自身结构所能承受的上限。

现在，逻辑的链条变得清晰而无情：

那么，一个质量如此巨大、却又如此致密、如此黑暗的天体，它还能是什么呢？物理学家们面前只有这样两个选择：

A. 承认光速极限错了，狭义相对论错了，它是一颗超出人类物理学认知的未知天体；

B. 排除掉一切不可能的，剩下的结论哪怕再令人惊奇，也接受。假如承认人类已知的所有物理学定律为真，那答案只有唯一的一个：它是一个黑洞。

如果是你，你会怎么选择？如果有人选择 A，那么我要恭喜他，他有当一个网红神秘主义者的潜质。他们都有一个共同的精神特质，就是不论有多少证据放在他面前，他们永远坚信人类很无知，宁愿用未知的力量来解释奇迹，也不愿相信这个奇迹是可以被人类已知的物理学解释的。

在我刚才设定的那个条件下，科学家们的选择是 B。尽管黑洞的性质实在太令人震惊了，它是一只宇宙级别的怪兽。但震惊归震惊，在理性面前，我们必须接受。

随着观测数据的不断积累和精确，证据的天平开始不可逆转地倾斜。到了 70 年代中期，天鹅座 X-1 是黑洞的结论，在天文学界已经逐渐成为了共识。

天鹅座 X-1 的示意图，吸积盘的中央是黑洞，右边是它的蓝巨星伴星 HD 226868。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss

而当初那位最严苛的“魔鬼代言人”约翰·惠勒，也展现了一位真正科学大师的风范。他的怀疑，并非出于个人的偏见，而是源于对证据的极致苛求。当所有合理的怀疑都被排除，证据链条最终闭合时，惠勒坦然地接受了这个结论。并且，他从一个最严谨的“怀疑派”领袖，摇身一变，成为了黑洞理论最热情、最坚定的“布道者”。他用自己巨大的影响力，向整个物理学界和公众，宣告了这个“怪物”的真实存在。

然而，另一位“怀疑派”的领袖，却并没有那么快“投降”。当然，他所谓的坚守，很可能仅仅是一种生活趣味的表现。

他就是 1974 年的加州理工学院迎来的那位著名的访问学者，用我们中国人习惯的话来说，就是身残志坚、勤奋努力、终成一代大师的史蒂芬·霍金。

Stephen William Hawking

基普·索恩和霍金年龄相差 2 岁半，俩人对物理学都有极致的追求，很快就成为了至交好友。这天，索恩兴冲冲地拿着最新的观测数据，找到了霍金。

“斯蒂芬，看看这个！”索恩把论文摊在霍金面前的桌子上，“数据越来越精确了，那个家伙的质量，毫无疑问超过了 10 倍太阳质量！你现在总该承认，我们找到黑洞了吧？”

霍金慢慢地移动着轮椅，仔细地看完了论文。他沉默了片刻，然后，嘴角露出了一丝狡黠的微笑。

此时的霍金，刚刚被选为英国皇家学会的会士，正是他学术生涯的巅峰时期。然而，遗憾的是，他的渐冻症也发展得非常迅速。1974 年的霍金已经无法像正常人一样控制自己的舌头，他说话已经开始逐渐变得吃力，语速很慢，虽然含糊，但依然能被听清。“不，基普，我还是不承认。证据是很强，但并非绝对。万一引力定律在强引力场下有我们不知道的修正呢？万一有某种未知的粒子，能提供更强的支撑力呢？”

“哦，得了吧，斯蒂芬！你只是在嘴硬！”索恩大笑道。

“那么，我们打个赌怎么样？”霍金的眼中闪烁着一丝狡黠的光芒，“我赌，天鹅座 X-1 不是一个黑洞。如果我输了，我将为你订阅一年的《阁楼》。”

史蒂芬·霍金与基普·索恩

索恩愣了一下，随即爆发出更大的笑声。因为《阁楼》是一本给成人看的色情杂志，霍金用它来做赌注，显然是在开一个玩笑。

“好！我跟你赌！”索恩立刻回应道，“如果我输了，我就为你订阅四年的《私家侦探》杂志，这些吹毛求疵的侦探故事应该很合你的口味！”

就这样，物理学史上最著名的一场赌局，在两位巨人的谈笑间诞生了。这一年，索恩 34 岁，霍金 32 岁。虽然霍金年龄小，但已经结婚 9 年，孩子都 7 岁了。但索恩却是刚刚结婚没几个月，正是新婚燕尔的时期。所以，索恩的妻子得知这个赌注后，大为恼火，差点把索恩给揍一顿。

这场赌局，一直持续了近 16 年。在这期间，天文学家们又陆续发现了好几个类似天鹅座 X-1 的 X 射线双星系统，它们的性质都指向了同一个结论。天鹅座 X-1 是黑洞的证据，已经从“极有可能”变成了“无可辩驳”。

LMC X-3，大麦哲伦云中的一个吸积 X 射线双星系统

终于，在 1990 年，霍金决定体面地“投降”。但他认输的方式，也充满了戏剧性。他没有公开宣布，而是趁着索恩不在办公室的时候，偷偷溜了进去，找到了当年那张写着赌约的纸，用自己的指纹在上面按了一个手印，表示认输。没过多久，索恩果真收到了一本霍金寄来的《阁楼》杂志。尽管已过去 16 年，索恩的太太对此依然大为恼火。

索恩后来回忆说：“斯蒂芬就是这样，他总是喜欢用一种幽默的方式来处理严肃的事情。他输了，输得很干脆。”

然而，索恩并不知道，霍金的这场赌局，并不仅仅是一个物理学家式的玩笑。在这位轮椅上的物理学巨擘的脑海中，一场风暴正在酝酿。他已经隐约地感觉到，黑洞，这个由广义相对论描绘出的、完美的时空深渊，它的存在，将不可避免地与另一门同样伟大的物理学理论——量子力学——发生似乎难以调和的冲突。

广义相对论的世界是光滑、确定、因果分明的；而量子的世界，则是概率性、不确定、充满着随机涨落的。这两套规则在各自的领域都取得了空前的成功，但它们从未在同一个舞台上正面交锋。可黑洞给这两个理论创造了一个绝佳的交锋舞台，那就是在黑洞的“事件视界”上。

霍金的直觉告诉他，当宇宙中最宏大的理论与最微观的理论，在这个难以理解的时空深渊的边界上相遇时，必然会发生一些足以惊掉物理学家下巴的事情。索恩以为这只是一场关于天鹅座 X-1“是”或“不是”的赌局，但他不知道，霍金真正想赌的，是这两大物理学支柱的终极命运。一个全新的、足以震惊世界的黑洞理论，正像一颗超新星，即将在他那颗无与伦比的大脑中爆发。

一个关于黑洞最最令人惊讶的推论将被霍金宣布，它的出现，无异于一颗重磅核弹在理论物理学界炸开，这是霍金一生中最高的学术成就，他也凭借着这个成就挤进了物理学大师的行列。

这到底是一个什么样的理论，霍金发现了黑洞的什么奇异性质呢？科学有故事，我们下期接着聊。

来源：科学有故事一点号