黑洞有必要吗？

罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)、莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)获得2020年诺贝尔物理学奖。该奖项一半授予彭罗斯的理论工作，另一半授予Genzel和Ghez，因为他们发现了一个令人信服的、相当大的实际例子。

今天，我们祝贺获奖者，并对知识的本质和理论的作用进行进一步的思考。

诺贝尔物理学奖一直有这样一条规则，那就是不能仅仅为了一个理论，无论它的发展带来了多少数学发现，多么美好。斯蒂芬·霍金的黑洞辐射理论几乎被普遍接受，尽管它与悖论有关，但有人说，只有经验上的证实，比如发现在加速器核心中爆炸的微型黑洞，才会给它带来诺贝尔奖。官方对罗杰爵士的引述说，他的奖品是：

“因为发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测。”

什么是“可靠的”预测？这个词给我们的印象是有必然性的意味。必要的知识是我们在数学中要处理的那种知识。对Genzel和Ghez的引用仍然是基于经验的：

“因为在我们银河系中心发现了一个超大质量致密天体。”

这个“物体”必须是一个黑洞--考虑到相对论和它所观测到的引力效应，它不可能是另外一个。在证明黑洞真实性的许多可能的证人中-其中一个是引力波的明显来源，其探测带来了2017年的诺贝尔奖-星系中心就是一个重要的例子。这些引文的组合开启了我们想要讨论的几个线索。

迪克和我年纪都够大了，还记得黑洞曾经有过猜想的情形。我童年时的一本天文学书说，天鹅座X-1 X射线源是最著名的黑洞候选者。1974年，霍金与基普·索恩打赌，认为它不是黑洞。这场赌局一直持续到1990年，当时霍金承认了这一点。他在他的名著“时间简史”中写道：

这对我来说是一种保险单。我在黑洞方面做了很多工作，如果证明黑洞是不存在的，那就白费了。但如果是那样的话，我会因为赢了赌注而感到安慰。…。当我们在1975年打赌的时候，我们80%确定天鹅座X-1是一个黑洞。到目前为止(1988年)，我想说我们大约有95%的把握，但赌注还没有敲定。

20世纪80年代，我还是一名学生，然后在彭罗斯的系做博士后，所以我被黑洞的氛围浸透了，从来没有想过怀疑它们的存在。我甚至有一次和创造了“黑洞”这个词的约翰·惠勒(John Wheeler)呆了一个小时，当时彭罗斯委托我陪同惠勒去牛津火车站返回伦敦。但从记录上看，将黑洞视为已证实实体的过程似乎是渐进的，正如许多人所说的那样，穿越大型黑洞的活动视界的行为是渐进的。尽管至少早在1971年就提出了从射手座发出的数据中存在中心黑洞的观点，但盖兹和当时的根泽尔因获奖而被引用的工作始于1995年。里卡多·贾科尼(Riccardo Giacconi)参加2002年诺贝尔物理学奖的官方公告称：

“他还探测到了现在大多数天文学家认为含有黑洞的X射线源。”

这至少说明了人们对黑洞可能被判断存在的位置(如果根本不存在的话)的挥之不去的疑虑。

无论他们的确认时间可能是精确的，到目前为止，给出的证据最多的是过去五年，包括去年第一张黑洞的视觉图像。它们存在于我们宇宙中的事实是不可否认的。但必需性是另一回事，而彭罗斯的这一点可以追溯到1964年。

我们已经提到了库尔特·戈德尔(Kurt Gödel)对广义相对论方程(GR)的解，在广义相对论方程中，时间旅行是可能的。这并不意味着时间旅行一定是可能的，或者它在我们的宇宙中是可能的。GR的“解决方案”更像是逻辑中的一个模型：它可能满足某个理论的公理，但具有其他偶然性(除非该理论是绝对的，这意味着它的所有模型都是同构的)。哥德尔的模型对爱因斯坦的宇宙常数有一个负值；2011年诺贝尔物理学奖的获奖者发现，在我们的宇宙中，这个常数有一个很小的正值。GR还允许一些粒子(称为超子)以比光速更快的速度移动的解决方案。

卡尔·施瓦茨柴尔德和约翰尼斯·德罗斯特在研究黑洞的幼年时就知道了GR存在黑洞的解决方案。也有没有黑洞的解决方案；除了狭义相对论的情况外，在广义相对论中，没有质量的宇宙在许多方面都是合法的。彭罗斯采取了相反的策略，给出了黑洞存在的最低条件。在本文之后，我们将它们非正式地列出如下：

彭罗斯证明，任何符合这些性质并按照GR演化的系统都必须发展黑洞。他在没有对系统进行任何对称假设的情况下展示了这一点。因此，他用极小公理推导出的定理的力量，把黑洞作为一种预言。

他1965年的论文实际上使用了自相矛盾的证明。他推导出系统避免形成奇点所需的五个性质。然后，他证明了它们是相互矛盾的--这是一个矛盾的证明。以下是他论文的症结所在：

在图中，时间往上流。简而言之，一个非常紧凑的坚果壳的要点是，一旦一个表面以施瓦茨半径在圆柱体内部流动，那么光和从它出来的任何其他运动都只能向内朝向奇点。这种分析是可能的，而不需要曾经被用来驯服GR方程的代数复杂性的那种对称性假设。度量完备性要求除了任何对称性之外的奇点；通过对柯西曲面的分析排除了周期平衡。

就像理查德·费曼著名的量子场论图表一样，彭罗斯把他的图表发展成缩短GR变迁的工具。我们可以把所有的其他帖子都用在他著名的瓷砖和三角形以及其他组合发明上。他的工具可以从我们宇宙的观测中量化黑洞的形成。

然而，必然性的问题与其他可能的宇宙有关。让我们理所当然地认为，gr和量子理论是支配整个宇宙的物理理论的一个方面，这是人们长期寻求的“万物理论”，让我们也承认膨胀理论家的论点，即多个宇宙是任何膨胀理论的必然结果。问题仍然是，在那些宇宙中黑洞是必要的吗？

这些宇宙可能不满足上面的公理1，或者可能有足够的复杂性来存在黑洞，但没有大规模形成黑洞。那么问题就变成了黑洞是否一定存在于任何足够丰富的宇宙中，足以让像我们这样的有意识生命形式得以发展。这是人性化原则的一个分支。

李·斯莫林(Lee Smolin)提出了一种机制，通过这种机制，黑洞可以产生新的宇宙，从而传播其大规模形成所需的复杂性。既然复杂性也伴随着有知觉生命形式的发展，这将把我们的人类存在置于结果之后，而不是按照人类原理进行推理时的逻辑方向。

2020年诺贝尔化学奖本周被授予詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)和伊曼纽尔·查彭蒂埃(Emmanuelle Charpentier)，以表彰他们在开发CRISPR基因编辑技术方面发挥的主导作用，特别是围绕蛋白质Cas9。

彭罗斯证明了黑洞和广义相对论是有联系的，这是一个数学结果。我们仍然不能在实验室中创造黑洞进行实验--或者也许我们可以，但应该非常害怕这样做。目前还不清楚这一结果是否会得到真正的应用。

Charpentier和Doudna发现现有的遗传机制可以用来编辑遗传物质。显然，这是可以的，并且已经在实验室中进行了实验。同样清楚的是，这一结果也有应用价值。实际上，它现在是无数实验室使用的标准工具。甚至还有围绕这种方法的专利争夺战。

我们喜欢这样一个事实，即诺贝尔奖是为如此多样化的研究而颁发的。这不仅仅是因为一个是天体物理，一个是化学。那就是诺贝尔奖可以授予非常不同类型的研究。我们认为这很重要。

但是等等。这些结果确实有一些共同之处，这使它们有别于我们在复杂性理论中所能做的任何研究。两者都是这样运行的：

从大自然中观察一些重要的东西。一些独立于我们之外的东西。那么，在彭罗斯的案例中，解释一下为什么这是真的。然后在Charpentier和Doudna的案例中，用它来解决一些重要的问题。

我们想知道，在我们的研究界，比如说在复杂性理论中，是否可以做这样的事情？

除了我们对所有在这篇文章中提到的人表示祝贺之外，Ken还特别感谢罗杰爵士和其他牛津数学研究所院士在这里记录的善意。