不止是霍金，這些人都應該分享這次諾貝爾獎，其中就包括愛因斯坦

今年的諾貝爾物理學獎辦法給了黑洞，可是領獎臺上卻看不到霍金的身影，因為諾貝爾獎不頒發給已經去世的科學家，霍金已經在兩年前去世了，不得不為這位最著名的黑洞研究專家叫一聲委屈，同時感覺諾貝爾獎委員會有點成心，這樣說起來可不是瞎說，諾貝爾獎委員會本來就規定諾獎不辦法給三個以上的科學家，要是霍金還在世的話，那可就是四個人獲獎了，去掉誰都不合適，而諾獎委員會早就憋著勁頒獎給黑洞，要是霍金不去世這獎還真沒有辦法給，這麼看來霍金確實有點委屈。

不過，從黑洞的研究歷史上，有無數偉大的科學家都做出了貢獻，很遺憾的是他們大多也沒有獲得諾貝爾獎，要是這麼看的話，霍金也算不上委屈，當然了所謂委屈不委屈都是戲謔之言，對於真正的科學家來說，是不是獲獎本來就無所謂。

還是讓我們來看看黑洞的歷史，一起來緬懷一下這些偉大的科學家。

1、 戰壕裡冒出來的黑洞

1915年，愛因斯坦終於艱難戰勝了希爾伯特，領先一步提出了廣義相對論的場方程。

關於愛因斯坦和希爾伯特的恩怨情仇，可以看一下我這篇文章。

引力場方程是描述引力場的時空幾何量，作為引力場源的物質能量動量張量的方程，可以說是真正揭開了引力之謎，是愛神一生中最得意的成就，從此以後，宇宙在人類面前將沒有任何秘密。

方程中，Guv是愛因斯坦張量；Ruv表示空間彎曲程度；R是曲率標量；guv是度規張；Tuv是能動張量，表示了物質分布和運動狀況；G是萬有引力常數；c自然就是真空光速。

可是提出了場方程，愛因斯坦也並沒有高興起來，因為這是一個二階非線性張量方程，他根本就解不出來，這個時候的愛因斯坦一定想起了他在大學數學課上逃課的時光，最好的辦法當然是尋求外援，可老婆米列娃已經離婚，再去找人家有點不合適，好基友格羅斯曼也已經分道揚鑣，要不去問一下希爾伯特，這更沒有面子，何況希爾伯特也還有很多數學問題要研究。

愛因斯坦只好簡化了很多條件，勉強得出了場方程的一個近似解，解釋了太陽系中水星近日點的進動，算是給自己找回了一點面子。

雖然愛因斯坦本人沒有辦法，但並不代表別人沒有辦法。史瓦西就第一個解出來了。

史瓦西是愛因斯坦的德國老鄉，也是一位大神，16歲就寫出過關於三體問題周期解的論文，沒錯，就是劉慈欣說的那個《三體》，不過現實中的三體可沒有大劉說的那麼恐怖，史瓦西就可以解決這個問題了。他還是玻爾原子光譜研究的先驅，和索末菲各自單獨提出了普遍的"量子化定則"，完美解決了"斯塔克效應"，這個斯塔克是一個科學家，和鋼鐵俠沒有半毛錢的關係。

和愛因斯坦不同的是，史瓦西是一位堅定的愛國者。一戰爆發時，他已經年逾不惑，可是他還是勇敢地走上了戰場，當然了，他沒有上前線衝鋒陷陣，雖然德國科學家多，也不能這麼奢侈派科學家去前線。

雖然沒有衝鋒陷陣，也不能白拿軍餉不是，在戰場上他也沒有閒著，沒事就看了會愛因斯坦的廣義相對論，這一看就解出來了場方程。

史瓦西先解出了真空場方程的穩定的球對稱解，真空場方程就是假設處於真空之中，就是Ruv=0。推導過程有點複雜，就不詳細推導了，最後史瓦西得出了答案。

來看一下史瓦西解的意義。

首先這是一個關於太陽系的引力場的描述，太陽本身近似球形，另外太陽本身佔了太陽系的大部分質量，其他物質包括我們美麗的地球都可以忽略不計，這樣太陽系就可以看作近似真空，這就可以解釋牛頓力學不能解釋的水星近日點進動問題，這可是可是假設了很多近似條件才勉強解決了這個問題的呀。

繼續看吧，在史瓦西解中，除了質量M和常數G之外，都是一些距離了角度了之類的量，這意味著引力場只和質量M有關，這一點太重要了。

在距離r=2GM/c²的時候，奇異性出現了，空間和時間都失去了作用，時間變成了零，而空間將趨於無限，總而言之一句話，時空崩塌了，這個半徑就被稱為史瓦西半徑。

要是一個星體的半徑小於史瓦西半徑，那麼時空就會崩塌，引力場就會強到連光也無法逃逸，既然連光都無法逃逸，我們看過去就是完全黑的，這就是黑洞。

不過史瓦西半徑非常小，太陽的史瓦西半徑約為3千米，地球的史瓦西半徑只有約9毫米，要是把太陽壓縮到半徑3000米的圓球地球壓縮到9毫米的話，那麼也會變成黑洞。

不過當時並沒有黑洞這個概念，當時也不這麼叫。

史瓦西把論文寄給了愛因斯坦，得到了愛因斯坦的讚賞，只是史瓦西並沒有得到他應得的讚譽，在史瓦西解出方程的第二年，他就因患病逝世於戰場之上。

因此，黑洞可以說是在戰壕裡冒出來的。

2、 撕碎的論文

雖然有了史瓦西解，可是愛因斯坦的理論還是很難得到人們的認同，畢竟太離奇了，什麼時空彎曲了，這可是做夢都想不出來呀，要想理論得到認可，必須還得靠實驗。

這活愛因斯坦肯定幹不了，他可是老婆不在身邊連襪子找不到的人，現在可以知道愛因斯坦前妻米列娃的偉大了吧，不但數學好，還知道襪子在哪，這麼好的老婆離什麼婚呀，做實驗的活只好交給愛丁頓了。

和史瓦西慷慨上戰場不一樣，英國人愛丁頓可是拒絕服兵役的，原因就是他是和平主義者，討厭戰爭，英國政府琢磨了一下，居然同意了，這可是看出來英國和德國的不同了吧。

愛丁頓早就想做實驗證實愛因斯坦的理論，可這不是趕上一戰了嘛，作為和平主義者，愛丁頓當然不能在硝煙中去做觀測，於是這次觀測就推遲到了一戰之後。

依照愛因斯坦的相對論，質量造成的引力場可以引起時空彎曲，這樣的話，光通過大質量的物體時就會出現偏轉，我們所能觀測到的最大質量的物體當然就是太陽，要是來自遙遠星星的一束光線通過太陽時就應該發生一定角度的偏轉，可問題是太陽也在發光啊，根本不能分辨出遙遠星星發出的光是不是發生偏轉，只有一個辦法可以解決 這個問題，那就是在發生日全食的時候，這時候太陽發出的光被月球遮擋，就可以測量遙遠星光是不是會發生偏轉了。

1919年，愛丁頓組織了一個觀測隊，來到了西非觀測日全食，奇蹟出現了，愛丁頓的觀測證實了相對論，一夜之間，愛因斯坦聲名鵲起。

由於愛丁頓的觀測，愛丁頓也成了相對論專家，據說有記者曾問愛丁頓，"聽說世界上只有三個人真正懂得相對論。"，愛丁頓沉吟不語，記者連忙說道"毫無疑問，您肯定是三個人之一。"愛丁頓微微一笑"我只是在想第三個人是誰。"，在愛丁頓看來，這世界上只有愛因斯坦和他本人真正懂得相對論，其餘人都不值一提。

愛丁頓一定是過於狂妄了，至少提出洛倫茲變換的老爺子洛倫茲肯定懂吧，另外還有一個年輕人也懂得相對論。

這個年輕人就是錢德拉塞卡。

錢德拉塞克是印度人，他和印度第一位諾貝爾獎獲得者拉曼還有點親戚關係，1930年，19歲的錢德拉塞卡獲得了印度政府獎學金，得以到劍橋大學深造，在從印度到英國的旅途中，他有了一個奇妙的想法。

當時人們認為所有恆星最後都會演化成白矮星，恆星耗盡所有燃料，不再發光後，由於引力作用，體積就會縮小，這樣組成物質的微觀粒子就會靠的很近，但是由於泡利不相容定律，這些微觀粒子會具有不同的速度，這樣就會產生一種斥力，這樣在引力和斥力達到平衡時就形成了白矮星。

錢德拉塞卡意識到，粒子之間的速度差最大不能超過光速，這是相對論決定的，要是這樣看的話，泡利不相容定律提供的斥力就會有一個極限，而引力卻沒有這種極限，這樣一來，引力就會比斥力大，恆星就會一直收縮下去。

這就是錢德拉塞卡計算出的公式。

錢德拉塞克計算得出，當恆星的質量小於太陽質量的1.44倍時，恆星會演化成白矮星，要是大於1.44倍呢，那麼恆星就會繼續收縮，變成中子星或者黑洞。

太陽質量的1.44倍就是恆星的最終演化成白矮星還是中子星或者黑洞的分界線，也叫做錢德拉塞卡極限。

我們來看一下史瓦西和錢德拉塞卡的研究的區別，只要星星達到了史瓦西半徑，星星就會變成黑洞，但是並沒有指出如何壓縮，在史瓦西看來，任何物質都可能變成黑洞，只要達到史瓦西半徑，至於是用手捏還是用機器壓那就不管了，錢德拉塞克極限則指出了只有恆星才能變成黑洞，而且恆星質量必須要大於錢德拉塞卡半徑。

可以說錢德拉塞卡在黑洞研究上又前進了一步。

錢德拉塞卡得出結論後，感到意神採飛揚，就連大海的波濤都變得溫柔起來，以為這就要走上人生巔峰，出任CEO迎娶白富美了，這些倒沒有想，至少能值一個諾貝爾獎吧。

可是沒有想到的是當他把論文在講臺上宣讀的時候，相對論專家愛丁頓衝上了講臺，把他的論文撕得粉碎，並且不允許他有答辯的機會。

和愛丁頓的爭論持續了幾年，一直得不到科學界的認可，後來錢德拉塞卡到了美國，在美國他一邊研究一邊教學，有一天，他冒著風雪來到教室，發現教室裡只有兩個學生，這兩個學生就是後來的楊振寧和李政道。

錢德拉塞卡的理論直到30年後才得到了認可，又過了20年才等到了諾貝爾獎，這個時候他已經從翩翩少年變成了白髮蒼蒼。

其實不止愛丁頓不承認有黑洞存在，就是愛因斯坦也不認為有黑洞，在當時沒有一個科學家支持這種觀點。

看來得找一個重量級人物來推動這項研究了，譬如原子彈之父。

3、 原子彈之父登場

不要以為奧本海默只是帶領大家造了原子彈，他本來就是一名優秀的物理學家，即便是沒有原子彈之父的名號，他也足以名留青史。

奧本海默本來打算投師盧瑟福門下，不過盧瑟福沒收，也確實沒法收，要是收了他這個弟子的話，他就成了玻爾的師弟了，那輩分可就全亂了，無奈奧本海默只好轉投"撿漏大師"波恩門下，這樣輩分總算對了。

1939年，奧本海默發表論文，指出根據愛因斯坦的相對論，質量遠大於太陽的恆星，在能量耗盡之後，會進入引力塌縮狀態，這就是黑洞。

這些東西史瓦西和錢德拉塞克不是都說過了嗎？奧本海默的工作是不是在重複他們的工作啊，這還有什麼意義呢？

事情不是這樣的，無論是史瓦西還是錢德拉塞卡，他們理論繼續發展下去就會得出黑洞的概念，不過他們並沒有發展下去，史瓦西去世的太早，錢德拉塞卡的研究被愛丁頓中斷了，而奧本海默基本上第一次從頭到尾研究這個問題，可是他的研究也被 中斷了，因為第二次世界大戰爆發了。

二戰爆發後，德國首先投入了原子彈的研究，愛因斯坦給羅斯福總統的信促使美國在1942年也建立了原子彈研究的曼哈頓工程，曼哈頓工程的首席科學家就是奧本海默。

這一耽誤就是二十年，直到上世紀五十年代末人們才對黑洞燃起了興趣，不過人們並不認同黑洞理論，反對最強烈的就是惠勒。

惠勒當然也是一位大神，他是玻爾的弟子，著名的延遲實驗就是他提出了，這個實驗太詭秘了，簡直是顛覆了人們的三觀，可是提出如此詭秘實驗的惠勒卻無法接受更加詭秘的黑洞。

但是隨著關於描述塌縮星體的內部和外部條件的數學方程出現後，惠勒被說服了，他成了理論的最狂熱的宣傳者。1969年的一次會議中，為了說服聽眾，他靈機一動說出來"黑洞"一詞，這個神秘的天體終於有了自己的名字，從此以後黑洞這一概念也流傳開來。

在惠勒提出黑洞概念後，黑洞理論如雨後春筍般冒了出來，其中最著名的當然就是霍金。

4、 輪椅上的奇人

1970年，終於等到霍金上場了。

這個時候，距離他確診患病已經七年，這七年間，他不但躲過了死神的召喚，獲得了博士學位，還結了婚，有了兩個孩子，但是他的健康每況愈下，不得不拄上了拐杖，他的書寫功能也消失了，這使得他不能再等上講臺，他的語言功能也在逐步消失，即便是最親近的人也聽不懂他的話，不過這一切都沒有能阻擋他探索宇宙的心。

這一年，霍金和彭羅斯相逢了。

彭羅斯就是今年的諾貝爾物理學獎獲得者，不過他不是物理學家而是一位數學家。數學家看物理學家不順眼已經很長時間了，想當年牛頓爵爺一己之力橫跨數學物理兩屆，讓一眾數學家毫無辦法，數學家們也由此得到啟示，咱們也可以去物理界逛逛啊，他們先派出了 數學王子高斯，王子就是王子，在物理學上玩出了一片高斯定律，數學家們覺得物理學也不過如此。

可是突然冒出來一個土豪諾貝爾，倒騰炸藥賺了一筆錢，設置了一個諾貝爾獎，還聲稱不能給數學家，這讓數學家們很不爽，不在乎那點錢，關鍵是面子，說什麼也要在物理界搶一個諾獎回來。

這一次他們派出的是龐加萊，本來妥妥地諾獎呀，可誰知道橫空出世愛因斯坦，愣是把狹義相對論搶走了，這讓數學家們很不爽，不過愛因斯坦雖然獲得了諾獎，可不是靠狹義相對論，可這還是不能忍啊，乾脆數學之外希爾伯特出場吧。

數學之王果然名不虛傳，幾個回合下來堪堪和愛因斯坦打成平手，還隱隱有勝出之勢，可愛因斯坦到底厲害，最後關頭奮力一擊，又把廣義相對論搶了過來。

數次交鋒，物理學家都大勝，這怎麼不能讓數學家生氣，期間納什雖然也靠博弈論獲得了經濟學家，不過經濟學獎並不是諾貝爾設置的，只是一個山寨貨，還是搶一個正經諾獎來的理直氣壯。

這一次他們派出的就是彭羅斯。

說起彭羅斯的數學成就有點複雜，就不多做介紹了，他提出的彭羅斯樓梯和彭羅斯三角倒是很有意思。

霍金和彭羅斯共同發表了論文《引力塌縮和時空奇點》，論證了愛因斯坦廣義相對論中奇點的理論，奇點是宇宙中最奇妙的點，奇點的密度無限大，在奇點，空間和時間在這一點完結，所有物理定律都會失效，以往的研究都認為奇點不可能存在，彭羅斯之前認為在黑洞中存在奇點，霍金則把彭羅斯的理論更進一步，考慮奇點是否適用於宇宙，就是說宇宙可能是從奇點誕生。

以往對黑洞的研究有點難以下手，黑洞看不見摸不著，只能從其對周圍天體的影響來推斷，霍金則打開了黑洞研究的大門。

霍金對黑洞的研究猶如懸河瀉水，一發而不可收，1971年，霍金證明了黑洞的視界線會隨著時間而擴張，同年，和布蘭登.卡特共同提出了"無毛黑洞"，指出黑洞除了質量、電荷和角動量之外再無差別。

無毛黑洞這個名字確實有點不雅觀，看來霍金也是老司機呀，科學家開起車來也是生猛得狠呀。

神秘的黑洞終於被霍金揭開了面紗。

有一個人對霍金的理論提出了異議，這就是貝肯斯坦，他是惠勒的學生，看到老師提出了黑洞，卻被別人搶了風頭，作為學生有點為老師抱不平，他就提出了一個想法質疑了霍金。

惠勒不但是優秀的物理學家，還是傑出的教育家，他的學生一個比一個牛，著名的"物理頑童"費曼就是他的學生，提出"多世界理論"的愛維特就曾受教於他，作為教育家，怎麼可能沒有黑洞研究方面的學生呢？貝肯斯坦就是他在黑洞方面的學生。

1972年，以色列物理學家貝肯斯坦提出了黑洞熵的概念，大意是如果把一個物體扔進黑洞，那麼隨著這個物體進入黑洞，物體的熵也會進入黑洞，由於黑洞是完全封閉的，也就得不到關於這個物體熵的任何信息，這就意味著熵憑空消失了，這是不符合熱力學第二定律的，所以黑洞一定有黑洞熵。

霍金最初是反對這個觀點的，但是他很快意識到這是一個寶藏，不過要和量子力學結合起來。結合了量子力學就可以證明黑洞不但有熵，而且有溫度。既然有溫度，那麼黑洞就會產生熱輻射，這就是霍金輻射。有了熱輻射，黑洞就不再是絕對黑的，是可以輻射能量和信息的，黑洞就應該叫灰洞了。

根據海森堡的不確定性原理，在"真空"中，會憑空產生一對虛粒子，但是這對虛粒子又會立刻消失，因為要保持能量守恆，可是要是這對虛粒子產生在黑洞附近，而且有一個虛粒子被黑洞吸收了進去，那一個虛粒子就獲得了能量，可以逃逸到無限遠處，從外面觀察就好像黑洞輻射出了一個粒子一樣。

霍金輻射被認為是霍金最重要的成就，霍金輻射把相對論和量子力學結合了起來。

5、 星際穿越

在電影《星際穿越》中，男主進入了黑洞後居然穿越了時空，讓人感嘆不已，這可能嗎？

還真沒準，要知道給《星際穿越》站臺的可是基恩索普，這位大神一生中的主要任務就是懟霍金，和霍金打了三次賭都贏了，而且還在2017年獲得了諾貝爾獎，又一次贏了霍金，不過兩人其實還是惺惺相惜的，電影根據的理論還是和霍金相關的。

那麼我們還是進入黑洞看看吧。

進入黑洞之後，首先感到的潮汐力的拉扯，這個倒是很好理解，就算我們站在地球上，我們腦袋和腳受到的引力也是不同的，因為腳距離地球近一點，腳受到的引力要比腦袋大一點，不過由於我們的身高比起地球半徑來可以忽略不計了，而且地球的質量也沒有多大，所以我們根本就感受不到這種撕扯。

可是在黑洞中就不同了，黑洞的質量太大了，即便是我們身高這一點距離我們也會明顯感到這種撕扯，這會很快把我們拉斷，不過不要擔心，就算我們會死亡，也是整個宇宙在為我們陪葬。

在黑洞之中，時間會過得非常慢，這是廣義相對論說的，慢到什麼程度？這裡的一秒對於黑洞外面可能就是幾十億年，所以說進入黑洞後就看到了宇宙的終結，不過雖然有如此重大的發現，卻沒有辦法把信息傳遞出來，那是黑洞啊，連光都無法逃逸，是沒有辦法傳遞信息出來的。

那麼在電影中的男主不但傳遞了信息給未來的女兒，而且還全須全尾地出來去找女主了呀，這就是霍金輻射。

根據霍金輻射，黑洞沒有那麼黑，會輻射出一些能量和信息，黑洞其實應該叫灰洞才對，不過霍金輻射能不能輻射一些確定的信息還有能不能像電影中一樣把男主吐出來呢？這就沒人知道了，不過基恩索普說有，那就有吧，反正現在霍金已經去世了，也沒有人和他打賭了。

但不管怎麼說，這種想法還是有點玄，這就好像是一個人孤身跳入太平洋，理論上肯定可以遊到燈塔國，可誰能保證一直風平浪靜呢？

那麼還有沒有別的辦法來進行星際穿越呢？辦法還是有的。

依照愛因斯坦的廣義相對論，時空並不是平坦的，會由於質量的出現出現彎曲，我們接觸到的物體質量都不大，所以我們都感受不到時空的彎曲，要是質量足夠大呢，比如太陽，那麼時空的彎曲就肉眼可見了。

前面說過的愛丁頓爵士觀測的星光偏轉可以看作是引力的作用，也可以看作是光在彎曲的時空中傳播，可以這麼簡單理解一下，我們在柔軟的墊子上放置一個大鐵球，大鐵球就壓出了一個凹陷，那麼凹陷周圍的玻璃球就會沿著凹陷曲線滑入凹洞中，而不是平平地從凹洞上方飛過去，墊子就好像是我們的宇宙，大鐵球就是太陽，玻璃球就是光線，我們的宇宙中並不是只有一個太陽，而是還有很多質量遠大於太陽的星體，於是宇宙就成了一片凸凹不平的丘陵。

要是鐵球質量非常大呢？能不能把墊子砸出一個洞來呀，這事還是有可能的，愛因斯坦和同事羅森求解了引力場方程的一個解，話說怎麼一求解愛因斯坦就要找人合作啊，發現墊子確實可以穿過去，這就是愛因斯坦—羅森橋。

後來惠勒給取了個名字叫做蟲洞，不過愛因斯坦認為這種東西可能不存在，惠勒也指出即便存在，微小的擾動比如一個光子的出現也會造成蟲洞消失。

看來鑽蟲洞的方法也被堵死了，不過在古猿從樹上走下來蹣跚學步的時候，誰又能想到今天的飛機高鐵呢，我們還是寄希望於遙遠的未來吧。

6、 黑洞到底是什麼模樣

說了這么半天，那麼到底黑洞是什麼樣的呢？要想"看到"黑洞確實有點難，因為黑洞連光都要吸收，而我們"看"東西是要靠光的，不過還是有辦法的，因為黑洞會吸收周圍所有的物質，包括星星，那麼就可以分析出黑洞的模樣。

在電影《星際穿越》中就給出了黑洞的模樣，不過這畢竟是電影，有科學根據也有藝術家的想像。

那麼到底真正的黑洞是什麼樣的呢？

2019年4月10日，黑洞事件視界合作組織公布了人類歷史上第一張黑洞照片。

這是來自於距離地球5350萬光年之外的M87星雲中心埋藏的超大質量黑洞的照片，M87星雲聽起來是不是很熟悉呀，奧特曼就是來自這裡，現在知道為什麼奧特曼那麼厲害了吧，他們守著黑洞呢。

由於黑洞本身不放光，光也沒有辦法跑出來，照片拍攝的只是黑洞周圍明亮背景下形成的陰影，所以看起來比較模糊，那麼現在這個黑洞怎麼樣了呢，那誰知道啊，畢竟這是5350萬光年之外的黑洞，換句話說，那已經是5350萬年之前的事情了。

那麼這是不是人類首次確定黑洞的存在呢？這還真不是，比如今年的諾貝爾獎就已經對黑洞做出了推測。

早在引力波獲得諾貝爾獎後，諾貝爾獎委員會就打算授予黑洞研究諾貝爾獎，只是當時霍金在世沒有辦法頒發，看起來確實有點委屈，可是以上說說的這些偉大科學家，哪一個又不應該得到諾貝爾獎呢？尤其是愛因斯坦，簡直就是開創了一個諾貝爾獎寶庫，只要證實他的一個預言就可以拿一次獎，前兩年的引力波就是沾了他的光。不過，作為偉大的科學家，他們更在意的是科學，誰又在乎那點虛名，何況霍金的名氣已經夠大了。

現在說一個思考題，今年的諾獎獲得者之一蓋茲是一位女士，那麼蓋茲之前還有哪些女科學家獲得了諾貝爾獎呢？