———质疑黑洞概念及2020年Nobel物理奖
黄志洵
（中国传媒大学信息工程学院，北京100024）
摘要：虽然2020年度Nobel物理奖被授予黑洞研究，但黑洞只是数学分析和猜测的产物。迄今并无可靠的观测证据证明黑洞存在。奇性黑洞是广义相对论（GＲ）的一个推论，实际上GＲ并不能证明大质量天体会坍缩成奇性黑洞，所谓证明是不可信的错误。有人用“GＲ的正确性”推断黑洞存在，又用“黑洞存在”断言GＲ正确。这种逻辑循环互证是科学研究中不能允许的。 本文指出1939年的Oppenheimer－Snyder论文的方向有误。而且，必须注意在2014年著名物理学家S．Hawk-ing作了自我批评，说他在黑洞的理念上犯了大错，黑洞并不存在。从历史情况看，Einstein不支持黑洞理论。
近年来西方的理论物理学走上了错误之路。例如奇点本为纯数学概念，却被认为是宇宙的起点，或使巨大黑洞得以生成。我们把这种情况称为“奇点物理”；它仅有数学上的意义，并非物理实在。自然科学的基础是一系列观测与实验，而非依靠猜测的支持。
关键词：广义相对论（GＲ）；黑洞；奇点
中图分类号：O314文献标识码：A文章编号：1673－4793（2020）05－0001－08
开普敦大学
DOI:10.16196/jki.issn.1673-4793.2020.05.001
Does the black hole really exist？
———Question the concept of the black hole and the2020Nobel prize in physics．
HUANG Zhi-xun
（Communication University of China，Beijing100024，China）
Abstract：Although the2020Nobel Prize in Physics was awarded for the study of the black hole，the black hole is only the product of mathematical analysis and speculation．So far，there is no reliable
observational evidence to prove the existence of the black hole．The singular black hole is a corollary of GeneralＲela-tivity（GＲ）．In fact，GＲcannot prove that massive celestial bodies will collapse into the singular black hole．
The so－called proof is untrustworthy and wrong．Someone use“the correctness of GＲ”to infer the existence of the black hole，and use“the existence of the black hole”to assert that GＲis correct．This kind of logical cycle mutual verification is not allowed in scientific research．This article points out that the paper written by Oppenheimer and Snyder in1939went into the wrong direction．And it must be not-ed that renowned physicist S．Hawking was self－critical in2014．He admitted that he made a biggest blunder in the black hole theory，that the black hole doesn＇t exist．Historically，Einstein did not support the theory of the black hole．
作者简介：黄志洵（1936－），男（汉族），北京市人，中国传媒大学教授、博士生导师，中国科学院电子学研究所客座研究员．E-mail：huangzhixun75@163．com
In recent years，Western theoretical physics has gone on the wrong way．For example，the singulari-ties，which are purely mathematical concepts，are thought to be the beginning of the universe，or to have given rise to giant black holes．We call this situation“singularity physics”．It on
ly makes mathematical sense，not physical reality．Natural science is based on a series of observations and experiments，not on speculations．
Key words：GeneralＲelativity（GＲ）；black hole；singularities
1引言
2020年10月6日瑞典皇家科学院宣布，今年
的Nobel物理学奖的一半授予英国人Ｒoger Pen-
rose，因为他“发现广义相对论（GＲ）有力地预测了
黑洞的形成”。另一半授予德国人Ｒeinhard Genzel
和美国人Andrea Ghez（女），因为他们“发现银河系
中心的一个超大质量致密物体
獉獉獉獉獉獉獉獉”。值得注意的是，
Penrose获奖主要是由于理论工作———1965年使用数学模型证明黑洞可以形成；而另二人获奖虽然有媒体说是因为“发现一个超大质量黑洞”，但瑞典皇家科学院并未这么讲。另有媒体解释说，这两位科学家在上世纪90年代对银河系中央名为人马座A *的区域展开研究，用世界上最大的望远镜发现一
个质量极大獉獉獉獉（太阳的4ˑ106倍）的不可见物体
獉獉獉獉獉獉
牵引
周围的恒星，使我们的星系产生了独具特的螺旋。……因此，这年的Nobel物理奖是授予关于黑洞的理论工作和实验研究，但并未明确地奖励黑洞的实验发现。
必须指出，国际上对主流理论物理界的研究路线，以及与此相应的奖励刺激，是有不同看法的。这条路线充斥着：大爆炸宇宙学与暴涨理论，暗能量与暗物质，多维空间与多宇宙（平行宇宙），引力波与黑洞等等。有越来越多的人对理论物理学中过份夸大数学的作用、以数学代替物理表示不满。……在国内，当2020年Nobel物理奖公布后，也有反对意见；例如河南郑州的一位教授在中说：“今年的物理诺奖公布了，仍然是赞扬黑洞的。但至今没有人真正看见过黑洞，所有的黑洞都是来自引力理论的推猜。他们咬定黑洞一定存在，根本不去怀疑用以分析数据的理论是否存在某些缺失， 用一个有缺陷的理论得出荒谬的结论。你以前写过一篇关于霍金认错的文章［1］，隐约告诉人们黑洞是不存在的，我认为这篇文章内容是好的，但旗帜不太鲜明。是否能修改一下，以《黑洞存在吗》为题目写一篇批驳文章，给某些人醒醒脑。”
另外，北京的一位教授（专业是天体物理）也向笔者指出，今年的诺奖授予是无视众多反对声音的作法，而现在的理论物理是处在错误潮流之中。他们那一套已经定型，尽管荒谬。例如大爆炸宇宙学说137亿年前由奇点炸出一个宇宙，这与上帝创世说无异。……
本文是在朋友们推动下写成的。为了叙述上的方便，我们将黑洞物理学（Physics of Black Holes）简写为PBH。
2黑洞理论的早期发展
首先指出，所谓黑洞是摆弄数学公式和数学概念的结果，迄今并没有到它。正如S．Hawking［2］在1996年所说：“黑洞是在没有任何观测证据证明其理论正确性时，作为数学模型大加发展；但你怎能相信一个其依据只是基于令人怀疑的GＲ的计算对象呢？”……尽管如此，我们还是耐心地说明，这个黑洞理论是如何产生、如何发展起来的。
———1783年英国人John Mitchell在《皇家学会哲学学报》上发表一篇文章，说宇宙中可能存在一种
暗星（dark star或black star），是地球人看不见的。根据光的“微粒说”，把光看成大量粒子的集合；在星体具有超强引力的情况下，光将被拉回而不再前进。这样的恒星具有超大质量，可能有很多……。显然，如把光看成波动，就说不通了；当时的Newton 力学可以使Michell假说成立，它与“逃逸速度”相对应，这是可以用万有引力定律计算的。
薄层谱———1796年法国数学家Pierre Laplace［3］在其著作《宇宙系统》中提出了与Mitchell类似的说法，也是根据Newton引力理论推算，认为存在一种暗天体。计算表明，一个直径比太阳大250倍而密度与地球相似的恒星，其引力将使光线不能传播出去，观
2
测者将看不到它。但是，该书的第3版中有关论述
被删除，
其原因不太清楚。———1915年A．Einstein ［4］提出GＲ理论，其中包含有Einstein 引力场方程，
即EGFE ，其形式为Ｒμυ－
1
2g μυ
Ｒ=－κT μυ（1）
T μυ是物质的动量能量张量，g μυ是度规张量，κ是相对论引力常数。
———1916年，K．Schwarzschild ［5，6］
在同一刊物上
发表论文，
对EGFE 给出一个简单情况下的特解。他假定：①星体为球状；②星体无旋转；③星体具有
均匀质量；④引力场是静态的。所以，
虽然我们说EGFE 非常复杂实际上无法求解，但是早期却搞出
了一个近似的（简化条件下的）解析解：
ds 2=1－2GM ()r dt 2－1－2GM
()
r －1
dr 2－r 2d θ2
－r 2sin 2θd φ2
（2）
式中r 是致密星体半径，
M 是质量，G 是万有引力常数，
θ、φ为球坐标相应的角度，t 是时间。这个解被后人认为代表了一个球形黑洞。如恒
星质量高度集中于一个非常小的范围，
恒星表面引力场就可能强大到连光都不能逃逸。……很久以
来，
包括Einstein 在内的许多科学家都对这种极端情形存在表示怀疑。但后来出现的“恒星末期寿命结束时（由于核燃料已耗尽）就会坍缩为球形黑洞”的理论活跃一时。事件视界（event horizon ）的半径由下式计算：
r s =
2GM c 2
（3）
式中c 是光速，M 是黑洞质量。在作归一化表述时，也可写作r s =2GM 。
———1922年Einstein ［7］在演讲GＲ理论时提到Schwarzschild 解，但其讨论是为了验证由EGFE 可
否得到与经典力学相同的行星运动计算结果；对这个解可以导出黑洞概念的事情他一字未提。Ein-stein 的演讲涉及GＲ在宇宙学中的运用，也谈到奇点（singularities ）和奇性（singular ）；但对黑洞避而不
谈，
湖南纺织专科学校
其原因值得玩味。笔者认为，鉴于演讲地点是世界闻名的美国Princeton 大学，
听众都是高学养的科学家，
Einstein 经仔细考虑后决定不提及“由GＲ理论推论宇宙中存在黑洞类天体”的判断，是由于他对PBH 理论不太支持。
———1935年印度人S．Chandrasekhar ［8］算出当
恒星耗尽燃料后，
多大的恒星可以对抗自己的引力而维持寿命。因为当恒星变小时，
物质粒子相互靠得很近；但按Pauli 不相容原理，
它们必须有非常不同的速度，
互相散开是使星体膨胀，这种排斥力和引力的平衡使恒星尺寸不变。Chandrasekhar 指出，恒星命运有一个极限参量，
例如一个大约为太阳质量1．5倍的冷恒星不能支持自身以抵抗自己的引力（这叫Chandrasekhar 极限）
。总之他用完全简并的
电子气体的物态方程建立了一个白矮星模型，说白矮星的质量上限是1．44M （M 为太阳质量）。在此
值以下，
恒星以白矮星作为归宿而结束一生；在此值以上，
恒星将变成中子星或黑洞。……1983年他获Nobel 物理奖，原因是“对恒星结构和演化的研究（特别是对白矮星的预言）。”
———1935年A．Eddington 发表了与他的学生Chandrasekhar 不同的意见，认为会有一个规律（定律）使
“恒星经过坍缩变成黑洞”这一荒谬现象不会发生。Einstein 也有类似想法。有趣的是，过了23年后（即1958年），著名美国物理学家J．Wheeler 也
持类似看法，
认为形成黑洞的“坍缩”在物理学中并不合理，
应当抛弃。———1939年Einstein ［9］为了说明“Schwarzschild 奇点（黑洞）不存在于物理实在之中”而写的文章分
析了一种球状结构（球状粒子集），
其周长小于1．5倍临界周长，则粒子速度会超光速，而根据狭义相对
论（SＲ）是不可能的，
从清华园到未名湖等等。因此，他从GＲ理论出发的计算却直接地反对Schwarzschild 奇点。……后
来崇尚PBH 的专家不承认此文正确，
尽管他们尊崇Einstein 和GＲ。他们的解释是，在1939年那个时期
还难以认识
大量元素
“足够致密的物体必然会坍缩”，而坍缩正是产生黑洞的可能原因。众所周知，
1955年Ein-stein 去世；因此Einstein 的一生可能都未把黑洞当真。
如果笔者的分析不错，那就引伸出一个结论：在
今后的讨论中，
不要把“究竟有没有黑洞”与“GＲ的正确性究竟如何”
二者捆绑在一起。Einstein 是GＲ理论的发明人，
Eddington 是GＲ的坚定拥护者（正是他在1919年公布的报告
［10］
宣称日食测量队的恒
星光经过太阳表面确会发生1．75ᵡ偏折，
与GＲ的计算一致，
使Einstein 于成了世界名人）；如果这两位都不相信宇宙中真有黑洞这种东西，
那么别人怎能3
说“只有承认黑洞存在才是承认GＲ正确”？
—
——1939年7月10日美国Berkeley加州大学教授Ｒ．Oppenheimer［11］（二战爆发后他成为美国研制团队的技术负责人）投寄给《PhysicalＲe-view》杂志一篇论文，是与他的学生H．Snyder合作的，证明从GＲ理论出发而作的分析计算表示质量足够大的宇宙天体会崩塌成奇异性黑洞（注：所谓
奇异性黑洞是指收缩为奇点后的密度是无限大
獉獉獉獉獉獉）。
当年9月1日，《Phys．Ｒev．》发表了这个难懂的论文。Oppenheimer实际上是说黑洞是超大质量恒星“死亡”后的结果；这是从Chandrasekhar开始，经过Oppenheimer和Landau等人形成的思想体系：质量大于1．4个太阳的恒星死亡时会形成黑洞，而不是别的。
该论文的预言依赖于超强引力。但其计算太过理想化：忽略自转、激波、辐射。因此这是一个坍缩恒星的理想化模型，用数学方程描写坍缩。恒星坍缩时表面发光的红移越来越大，最终是无限大，就看不见恒星了，或者说它与宇宙隔开了。
———1958年至1963年间，美国物理学家J．Wheeler经历了对“Oppenheimer黑洞”从反对到欣赏甚至热情赞美的变化。Wheeler也曾对美国国防做出贡献（Oppenheimer领导了第1颗的设计研制，
Wheeler参与了E．Teller领导的第1颗的设计研制），后来回头来研究理论物理和天体物理。Wheeler尊重比自己年长的Oppenheimer，但在1958年的一个国际学术会议上他批评说，形成黑洞的坍缩并不合理，应当抛弃；应有一种新的物理规律。Wheeler讲完后Oppenheimer站起来说，在GＲ框架内用坍缩过程来描述是可以的，用不着什么新定律。……但在几年后，由于进一步的研究和计算机模拟，1963年岁末当类星体被发现时，Wheeler转变了态度，在当年另一个会议上夸赞了Oppenheimer 和Snyder［11］的1939年论文，推动了“Oppenheimer 黑洞”的概念化。……1967年秋季，Wheeler提出了Blake Holes这个词，以取代过去的“冷冻星”、“坍缩星”之类的词。但正是在这一年，Oppenheimer逝世了（终年63岁）。
———1965年英国物理学家Ｒ．Penrose［12］发表题为“Gravitational Collapse and Spacetime Singularities”（引力坍缩与时空奇点）的论文，被认为是他的代表性著作。文章说，在有合理物质源的GＲ经典理论中，引力坍缩情形中的时空奇点是不可避免的。这被称为奇点定理，它认为恒星发生剧烈坍缩时，引力大到会形成一个显视界，结果是每个黑洞内都有1个奇点。证明时所用数学工具为拓扑学（Topolo-gy）。在Penrose的方程里，每当坍缩产生奇点，同时总会产生包围奇点的黑洞。因此，看来没有不被视界包围的“裸奇点”。
———1970年至1975年，英国的身残志不残的著名物理学家S．Hawking（中译霍金），对PBH提出了一系列革命性观点。1970年他和Penrose一起发展了奇性定理［13］；1972年至1973年他提出了关
于黑洞过程不可逆性的黑洞动力学笫二定律，也叫视界面积不减定理［14，15］；1971年至1974年他提出黑洞有辐射［16，17］，这是因为量子理论决定了黑洞表面真空涨落造成虚粒子对，负能虚粒子经由隧道效应而进入黑洞，正能粒子穿过外引力而辐射出来。因此，远处的观察者有可能观察到黑洞。……Hawking radiation理论使他成为一位明星或权威，推动黑洞研究进入一个新时期。……2018年3月Hawking 病逝。
以上是PBH的早期历史；最后谈谈在本世纪初期“霍金认错”的情况。Hawking公开承认自己在30年前犯了错误。2014年，他先在与《Nature》杂志人员的访谈中说，虽然经典理论认为物质无法从黑洞中脱逃，但在量子理论中却允许能量和信息从黑洞中出来。当年1月22日，Hawking在arXiv预印本网站贴出文章说，根本不存在黑洞边界，视界线与
獉獉獉獉量子理论矛盾
獉獉獉獉獉獉
，黑洞是没有的
獉獉獉獉獉獉
。黑洞理论是自己一生中的最大错误（biggest blunder）。……由于Hawking是PBH的领军人物，他
的认错引发了轩然大波。有的人考虑自己的个人利益，也由于在量子力学（QM）与相对论的矛盾中Hawking公然站到了QM一边，Hawking的追随者们愤怒地起来责怪他。例如美国UC－Berkeley的Ｒ．Bousso说：“Hawking 的认错令人憎恨”。
3对“Oppenheimer黑洞”的评论
前已述及，1939年Oppenheimer和Snyder［11］论文在早期PBH理论中具有较高地位，虽然它分析时
用了较多理想化条件。它实际上是GＲ黑洞的思想
獉獉基础
獉獉
，本质上是一个描写行星坍缩并形成黑洞
獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉
的理
4
细叶楠
论。在叙述时，我们也简称其为OS论文。它说，一个圆球状物质（恒星）在自身引力作用下有可能坍缩到它的引力半径范围之内，而这是从GＲ出发所作的计算。引力半径r s=2GM/c2，M是球的总质量。例如，若球质量是太阳质量，r s=3km。当球体（恒星）坍缩到r
s
，其产生的光线（或其他粒子）均不可能射出到r s表面范围之外。可见，OS论文体现了GＲ黑洞的概念。
前已述及，Chandrasekhar指出，存在某个极限值，Pauli不相容原理不能阻止质量大于该值的恒星发生坍缩。但根据GＲ，该恒星会怎样呢？Oppen-heimer正是企图解决这个问题。他的分析表明，恒星引力场改变了光的路径；由于GＲ提出的引力会使光线略为偏折的效应，而恒星收缩时表面引力场增强，加大了偏折，结果是光线更难于从恒星逃逸。这种情况对应事件视界（event horizon）的概念。
中国物理学家梅晓春研究员曾经仔细研读OS 论文并作了分析。笔者相信中国物理界很少有人会做这件事，现在谈谈他的分析。梅晓春［18］的论文题为“广义相对论关于大质量天体崩塌成奇异性黑洞的计算是错误的”，此文共有68个编了号的公式，具有理论物理界无法轻视的数学水准。文章的摘要说：“根据广义相对论，Oppenheimer和Snyder证明，质量足够大时宇宙中天体将崩塌成奇异性黑洞。我们重新分析他的原始的计算，指出该计算存在以下几个严重问题：①证明的前提是，假设星体
的密度不随时空坐标而变，ρ（Ｒ，τ）=ρ0是一个常数。这个前提是分步引入的，先假设密度不随空间坐标而变，再假设不随时间而变。但最后却得出星体崩塌“密度无穷大”的结论，前提与结论相矛盾。②按照这种计算，星体崩塌成奇异性黑洞与星体的质量和初始密度无关。即使星体的质量和密度非常小，比如一小团密度均匀的稀薄的气体，在引力的作用下也
会收缩成奇点獉獉獉獉獉，这实际上根本不可能。③按照解引
力场方程EGFE的程序，应当事先知道物质密度对时空坐标的变化形式，然后才能求度规的形式。如果物质密度随时空坐标的变化方式不知道，引力场方程根本不能求解，因此他的计算在程序上就是不可能的。④按照他的计算，设Ｒ是星体在任意τ时刻的半径，则τ随着Ｒ的增大而增大。然而在星体的崩塌过程中，应当是半径变得越小花费的时间越长，因此计算结果实际上不可能描述星体的收缩。物质崩塌成奇异性黑洞的另外一种改进型的计算方法也存在上述问题，甚至引入随意的坐标变换来简化运动方程，结果同样是不可信的。因此至今实际上并没有用GＲ证明，质量足够大的星体会崩塌成密度无穷大的奇异性黑洞。”
因此，梅晓春认为Oppenheimer关于物质崩塌成奇异性黑洞的计算是错误的。现有天体物理学中所谓的奇异性黑洞理论实际上没有任何物理学基
獉獉獉獉獉獉獉獉础
獉
。在本文之前，他已经发表了一系列文章，证明奇
异性黑洞在自然界中不可能存在。这些文章讨论的是Einstein的EGFE的静态解，诸如物质的空心球分布，双球体分布和环状分布。本文讨论EGFE的动态解，进一步揭示了Einstein引力理论的局限性。
梅晓春进一步指出，当场源物质存在运动速度时，Einstein引力场方程实际上无法求解。为了使EGFE能够求解，物理学家不得不采用随动坐标。这种做法实际上是人为地逃避运动速度对引力场方程的影响，不能代表真实的物理过程。其结果只能说明，在场源物质存在运动速度情况下，Einstein引力场方程实际上是无效的。
因此现有宇宙学和天体物理学中所谓奇异性黑洞、白洞和虫洞等实际上都与真实的物理世界无关。GＲ中出现的时空奇异性并不是由大质量的高密度
物质引起的，而是由采用弯曲时空的数学描述方法
獉獉獉獉獉獉引起
獉獉
。按照目前的天体物理学，有在类星体中心可能存在大黑洞。然而Ｒ．Schild等观测显示，类星体的中心有所谓的“磁场急剧收缩体”。由于存在磁场和物质，类星体的中心根本不可能是奇异性黑洞。Schild等人观测结果与本文的计算和分析是一致的，宇宙空间不可能有GＲ黑洞。
4黑洞至今尚未被观测到
物理学的发展是以实验事实为基础建立起理论和定律，再用进一步的实验来证实或证伪；用大量工作和反复印证，才能建立起可信的理论。用这样的标准来检查PBH，可以看出该理论体系是有问题的，并非用数学分析就能改善。根本的问题在于，迄
今为止黑洞并没有真正被观测到
獉獉獉獉獉獉獉獉獉
。PBH理论赋与黑洞的特性是没有光也没有任何形式的辐射，如此定义出来的东西根本是不能观测的。
根据分析和猜测，早期认为天鹅座X－1天体
5
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