今天的故事，從 1971 年普林斯頓大學那間充滿傳奇的辦公室開始，看科學巨匠們如何用最嚴苛的目光審視證據，只爲確認——我們找到的，真的是那隻傳說中的宇宙怪獸嗎？

辦公室裏的思想交鋒

約翰·惠勒喜歡在普林斯頓大學那間灑滿陽光的大辦公室裏踱步思考。這間辦公室曾屬於愛因斯坦，空氣中似乎還殘留着那位巨人的思想餘溫。但 1971 年的某一天，惠勒的步伐卻帶着一絲煩躁，一種興奮與憂慮交織的複雜情緒。桌上攤着一份剛剛通過電傳打字機傳送過來的尚未發表的論文，標題是——《天鵝座 X-1 的觀測證據及其物理含義》。

我們上期文章（汪詰｜黑洞史話 06：旋轉的時空）說到，“烏呼魯”衛星發現了一個奇特的射電源：天鵝座 X-1，一個看不見的、質量巨大的天體，正在貪婪地吞噬着一顆藍色超巨星。這個發現，像一枚引爆的炸彈，把整個天體物理學界都炸開了鍋。所有的間接證據，都指向了那個他剛剛在一次會議上即興命名不久的、充滿魔力的詞——黑洞。這個詞語的傳播速度，比他預想的要快得多，但隨之而來的，是巨大的責任和壓力。

天鵝座 X-1 的 X 射線圖像

突然，辦公室的門被敲響了，還不等惠勒說出“進來”兩個字，門被推開了。一個年輕人興沖沖地走了進來，他金色的頭髮在陽光下顯得格外耀眼，臉上洋溢着加州式的燦爛笑容。

“惠勒先生，您看到了嗎？天鵝座 X-1！這簡直就是奧本海默預言的完美應驗，它應該就是一個完全引力坍縮體，哦，一個黑洞，對，一個真正的、存在於我們銀河系中的黑洞！”

說話的，正是惠勒最得意的門生，未來的諾獎得主基普·索恩（Kip Thorne）。在惠勒看來，索恩是他所有學生中最樂觀、最富激情的“信徒”，一個天生的理論物理學家，對宇宙的奧祕充滿了孩童般的熱情。他不像自己這一代物理學家，經歷過兩次世界大戰，見證過理論的崩塌與重建，心中總帶着一絲對自然的敬畏和懷疑。索恩這一代人，成長於物理學的黃金時代，他們相信數學的力量，相信理論可以揭示一切。

基普·索恩（Kip Thorne）

惠勒停下腳步，轉過身，臉上卻沒有索恩預想中的興奮。他指了指桌上的論文，用一種慣有的、充滿哲學思辨的語氣緩緩說道：“基普，坐。是的，我看到了。證據很有趣，但你不覺得……它太‘完美’了嗎？”

索恩非常不解：“完美？這難道不好嗎？這不正說明我們的理論是正確的嗎？”

“不，孩子。當證據完美到像一部事先寫好劇本的小說時，你就該小心了。”惠勒走到黑板前，拿起一根粉筆，他喜歡在對話中用粉筆來梳理思路，“我們看到的，只是一個看不見的東西在影響一顆恆星。你怎麼就能百分之百地確定，那個看不見的東西，一定是我們理論中的黑洞呢？萬一是某種我們還一無所知的、更奇特的天體呢？比如，一顆由夸克構成的星星？或者一顆由其他什麼鬼東西構成的‘引力子星’？甚至，有沒有可能，是廣義相對論本身在那種極端條件下失效了？”

索恩笑了笑，說實話，他對導師的這種風格還挺熟悉的，惠勒永遠在引導自己的學生從多個角度去考慮問題。不過，這次索恩沒有嚮導師妥協，他說道：“老師，你又在扮演‘魔鬼的代言人’了。但所有的計算都指向了同一個結論，它的質量遠遠超過了任何中子星能夠承受的上限！物理學中所有已知的支撐力都已經用盡了！它不可能是別的東西。”

惠勒看着索恩，眼神變得深邃起來，認真地說道：“計算有時候也會騙人，基普。它只會告訴你，在‘現有理論’的框架下，結論是什麼。但一個真正的物理學家，必須時刻懷疑我們理論的根基。記住，一個科學理論最重要的特徵是，它能夠被證僞。在宣稱我們找到了這樣一個足以顛覆宇宙觀的終極天體之前，我們必須用最苛刻的、最無情的標準，去審判它！我們必須窮盡一切可能，去證明它‘不是’別的任何東西，然後才能謙卑地宣佈，它‘可能’是一個黑洞。”

惠勒的這種思想，源於 19 世紀著名哲學家休謨提出的觀點，他說：當我們面對奇蹟傳聞時，不應當輕信，除非虛假的可能性比奇蹟真實發生的可能性更低。這句話被認爲是現代懷疑主義的宣言，對宗教信仰的衝擊很大。這句話有時候也被我們叫做休謨公理，它與奧卡姆剃刀齊名。休謨公理的精神在惠勒這裏得到發揚光大。卡爾·薩根在 1995 出版的《魔鬼出沒的世界》中把休謨公理總結爲一句更加通俗易懂的話：非凡主張需要非凡證據，這也是我特別喜歡的一句話。

大衛·休謨（David Hume）

尋找“幽靈舞伴”

索恩和他老師惠勒的這場對話，迅速演變成了 70 年代理論物理學界最核心的交鋒。一方是以索恩爲代表的“支持派”，他們相信，天鵝座 X-1 就是我們找到的第一個黑洞，所有的證據鏈條都已經完整。而另一方，是以惠勒，以及遠在劍橋的霍金爲代表的“懷疑派”，他們認爲，在宣佈這樣一個顛覆性的結論之前，我們必須排除所有其他的可能性，現在還沒到可以徹底排除的時候。

在我看來，這已經不僅僅是一個天體的身份之爭，這關乎一個深刻的科學哲學問題：在物理學中，我們到底需要多強的證據，才能宣稱自己發現了一個全新的事物？

很遺憾，這個問題並沒有簡單的答案，必須一事一議。比如說，要證明天鵝座 X-1 它到底是不是黑洞，科學家們至少需要經過以下的證據排查：

首先，天文學家們將望遠鏡牢牢地鎖定在解開謎題的關鍵線索上——那顆明亮的藍色超巨星 HDE 226868。雖然我們看不見那個神祕的伴星，但我們可以通過精確分析這顆藍巨星的光，來推斷出它那位“隱身舞伴”的所有信息。這就好比，雖然我們看不見風，但通過觀察樹葉的搖曳，我們就能知道風的速度和方向。

天鵝座 X-1（中心的巨大白色斑點）和天鵝座 X-3，後者是一個環繞中子星的吸積盤

分析的第一步是尋找多普勒效應。這個效應在我們日常生活中很常見。當一輛救護車呼嘯着向你駛來時，你聽到的警笛聲會變得更尖銳（聲波頻率變高）；而當它離你遠去時，警笛聲會變得更低沉（聲波頻率變低）。光波也是一樣。如果一個光源正在朝我們運動，它的光譜線就會向頻率更高的藍色端移動，這叫“藍移”；如果它正在遠離我們，光譜線就會向頻率更低的紅色端移動，這叫“紅移”。

天文學家們夜以繼日地觀測，發現這顆藍巨星的光譜，正在非常有規律地發生着週期性的紅移和藍移。這就像是它在對我們不停地“點頭”和“搖頭”。這個現象，是一個鐵證，證明了這顆藍巨星並非獨自待在那裏，它正在圍繞着一個看不見的中心，跳着一曲優雅的宇宙雙人舞。它一會兒朝向我們運動（藍移），一會兒又背向我們運動（紅移）。

天鵝座 X-1 概念圖

通過精確測量光譜線來回移動的週期，天文學家們很快就確定了這場雙人舞的“舞曲節奏”——軌道週期是 5.6 天。

知道了軌道週期，就可以給它“稱重”了。距離我們如此遙遠的天體，如何確定它的質量呢？

這裏就要請出偉大的開普勒第三定律了。這條定律最初是由約翰內斯·開普勒在 17 世紀初通過觀測火星運動總結出來的，後來被牛頓用萬有引力定律賦予了堅實的物理基礎。它告訴我們，在一個雙星系統裏，兩顆星的質量總和、它們的軌道週期、以及它們的運行速度之間，存在着一個非常明確的數學關係。

現在，我們已經知道了軌道週期（5.6 天），又通過多普勒效應測出了這顆藍巨星的最大運行速度（大約每秒 75 公里），再結合對這顆藍巨星本身類型的分析，有了這些基本數據後，再通過一系列計算，那個看不見的“幽靈伴星”的質量，就可以被準確地計算出來。

當最終的計算結果出來時，所有人都倒吸了一口涼氣。

那個看不見的伴星，其質量至少是太陽的 9 倍，最可能的數值，大約是 15 倍太陽質量！

這個數字，就是解開謎題的最後一塊拼圖。

證據的終極審判

我們回憶一下，物理學中已知的所有能夠抵抗引力的力量，都已經有了它們的“承重極限”。電子簡併壓的極限，是 1.44 倍太陽質量（錢德拉塞卡極限）；更強大的中子簡併壓，其極限也不會超過 3 倍太陽質量（TOV 極限）。再往下，就是惠勒與索恩對話中提到的夸克，它也有簡併壓。這裏順便說一下，夸克的理論是 1964 年提出的，到了 1968 年被實驗證實。錢德拉塞卡和奧本海默當年做計算的時候，都不知道夸克的存在。惠勒與索恩的對話發生在 1971 年，所以惠勒已經知道了夸克的存在。

但問題是，夸克簡併壓根據計算，也不會超過 3 倍太陽質量。你可能已經忘了科學家們是通過什麼辦法來估算簡併壓大小的。我再說一下，是根據光速極限的假設來計算的。只要光速極限這個法則無法被突破，那科學家就能計算各種簡併壓的上限值。實際上，到了夸克簡併壓的時候，粒子的速度已經接近光速極限，即便後面再有什麼 xx 簡併壓，計算結果也都不可能超過 3 倍太陽質量。

而天鵝座 X-1 這個看不見的傢伙，質量高達 15 倍太陽質量！它遠遠超過了任何依靠簡併壓維持自身結構所能承受的上限。

現在，邏輯的鏈條變得清晰而無情：

它不是一顆正常的恆星，因爲它完全不發光。
它不是一顆白矮星，因爲它太重了。
它不是一顆中子星，因爲它也太重了。
它也不是一顆能依靠任何簡併壓存在的 xx 星，因爲光速極限。

那麼，一個質量如此巨大、卻又如此緻密、如此黑暗的天體，它還能是什麼呢？物理學家們面前只有這樣兩個選擇：

A. 承認光速極限錯了，狹義相對論錯了，它是一顆超出人類物理學認知的未知天體；

B. 排除掉一切不可能的，剩下的結論哪怕再令人驚奇，也接受。假如承認人類已知的所有物理學定律爲真，那答案只有唯一的一個：它是一個黑洞。

如果是你，你會怎麼選擇？如果有人選擇 A，那麼我要恭喜他，他有當一個網紅神祕主義者的潛質。他們都有一個共同的精神特質，就是不論有多少證據放在他面前，他們永遠堅信人類很無知，寧願用未知的力量來解釋奇蹟，也不願相信這個奇蹟是可以被人類已知的物理學解釋的。

在我剛纔設定的那個條件下，科學家們的選擇是 B。儘管黑洞的性質實在太令人震驚了，它是一隻宇宙級別的怪獸。但震驚歸震驚，在理性面前，我們必須接受。

隨着觀測數據的不斷積累和精確，證據的天平開始不可逆轉地傾斜。到了 70 年代中期，天鵝座 X-1 是黑洞的結論，在天文學界已經逐漸成爲了共識。

天鵝座 X-1 的示意圖，吸積盤的中央是黑洞，右邊是它的藍巨星伴星 HD 226868。圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss

而當初那位最嚴苛的“魔鬼代言人”約翰·惠勒，也展現了一位真正科學大師的風範。他的懷疑，並非出於個人的偏見，而是源於對證據的極致苛求。當所有合理的懷疑都被排除，證據鏈條最終閉合時，惠勒坦然地接受了這個結論。並且，他從一個最嚴謹的“懷疑派”領袖，搖身一變，成爲了黑洞理論最熱情、最堅定的“佈道者”。他用自己巨大的影響力，向整個物理學界和公衆，宣告了這個“怪物”的真實存在。

物理學家的幽默賭約

然而，另一位“懷疑派”的領袖，卻並沒有那麼快“投降”。當然，他所謂的堅守，很可能僅僅是一種生活趣味的表現。

他就是 1974 年的加州理工學院迎來的那位著名的訪問學者，用我們中國人習慣的話來說，就是身殘志堅、勤奮努力、終成一代大師的史蒂芬·霍金。

Stephen William Hawking

基普·索恩和霍金年齡相差 2 歲半，倆人對物理學都有極致的追求，很快就成爲了至交好友。這天，索恩興沖沖地拿着最新的觀測數據，找到了霍金。

“斯蒂芬，看看這個！”索恩把論文攤在霍金面前的桌子上，“數據越來越精確了，那個傢伙的質量，毫無疑問超過了 10 倍太陽質量！你現在總該承認，我們找到黑洞了吧？”

霍金慢慢地移動着輪椅，仔細地看完了論文。他沉默了片刻，然後，嘴角露出了一絲狡黠的微笑。

此時的霍金，剛剛被選爲英國皇家學會的會士，正是他學術生涯的巔峯時期。然而，遺憾的是，他的漸凍症也發展得非常迅速。1974 年的霍金已經無法像正常人一樣控制自己的舌頭，他說話已經開始逐漸變得喫力，語速很慢，雖然含糊，但依然能被聽清。“不，基普，我還是不承認。證據是很強，但並非絕對。萬一引力定律在強引力場下有我們不知道的修正呢？萬一有某種未知的粒子，能提供更強的支撐力呢？”

“哦，得了吧，斯蒂芬！你只是在嘴硬！”索恩大笑道。

“那麼，我們打個賭怎麼樣？”霍金的眼中閃爍着一絲狡黠的光芒，“我賭，天鵝座 X-1 不是一個黑洞。如果我輸了，我將爲你訂閱一年的《閣樓》。”

史蒂芬·霍金與基普·索恩

索恩愣了一下，隨即爆發出更大的笑聲。因爲《閣樓》是一本給成人看的色情雜誌，霍金用它來做賭注，顯然是在開一個玩笑。

“好！我跟你賭！”索恩立刻回應道，“如果我輸了，我就爲你訂閱四年的《私家偵探》雜誌，這些吹毛求疵的偵探故事應該很合你的口味！”

就這樣，物理學史上最著名的一場賭局，在兩位巨人的談笑間誕生了。這一年，索恩 34 歲，霍金 32 歲。雖然霍金年齡小，但已經結婚 9 年，孩子都 7 歲了。但索恩卻是剛剛結婚沒幾個月，正是新婚燕爾的時期。所以，索恩的妻子得知這個賭注後，大爲惱火，差點把索恩給揍一頓。

這場賭局，一直持續了近 16 年。在這期間，天文學家們又陸續發現了好幾個類似天鵝座 X-1 的 X 射線雙星系統，它們的性質都指向了同一個結論。天鵝座 X-1 是黑洞的證據，已經從“極有可能”變成了“無可辯駁”。

LMC X-3，大麥哲倫雲中的一個吸積 X 射線雙星系統

終於，在 1990 年，霍金決定體面地“投降”。但他認輸的方式，也充滿了戲劇性。他沒有公開宣佈，而是趁着索恩不在辦公室的時候，偷偷溜了進去，找到了當年那張寫着賭約的紙，用自己的指紋在上面按了一個手印，表示認輸。沒過多久，索恩果真收到了一本霍金寄來的《閣樓》雜誌。儘管已過去 16 年，索恩的太太對此依然大爲惱火。

索恩後來回憶說：“斯蒂芬就是這樣，他總是喜歡用一種幽默的方式來處理嚴肅的事情。他輸了，輸得很乾脆。”

未完成的革命，視界邊緣的風暴

然而，索恩並不知道，霍金的這場賭局，並不僅僅是一個物理學家式的玩笑。在這位輪椅上的物理學巨擘的腦海中，一場風暴正在醞釀。他已經隱約地感覺到，黑洞，這個由廣義相對論描繪出的、完美的時空深淵，它的存在，將不可避免地與另一門同樣偉大的物理學理論——量子力學——發生似乎難以調和的衝突。

廣義相對論的世界是光滑、確定、因果分明的；而量子的世界，則是概率性、不確定、充滿着隨機漲落的。這兩套規則在各自的領域都取得了空前的成功，但它們從未在同一個舞臺上正面交鋒。可黑洞給這兩個理論創造了一個絕佳的交鋒舞臺，那就是在黑洞的“事件視界”上。

霍金的直覺告訴他，當宇宙中最宏大的理論與最微觀的理論，在這個難以理解的時空深淵的邊界上相遇時，必然會發生一些足以驚掉物理學家下巴的事情。索恩以爲這只是一場關於天鵝座 X-1“是”或“不是”的賭局，但他不知道，霍金真正想賭的，是這兩大物理學支柱的終極命運。一個全新的、足以震驚世界的黑洞理論，正像一顆超新星，即將在他那顆無與倫比的大腦中爆發。

一個關於黑洞最最令人驚訝的推論將被霍金宣佈，它的出現，無異於一顆重磅核彈在理論物理學界炸開，這是霍金一生中最高的學術成就，他也憑藉着這個成就擠進了物理學大師的行列。

這到底是一個什麼樣的理論，霍金髮現了黑洞的什麼奇異性質呢？科學有故事，我們下期接着聊。