迪克和威爾金森他們幾個為啥心頭一涼呢？歷史上的事總是說來話長，大家別急，容我慢慢道來。
1909年意大利的馬可尼發明了實用化的無線電通信，到了三十年代，這個無線電通信就成了一個熱門產業，熱度堪比現在的「互聯網＋」。現在流量入口是各種手機APP，那個時代就依靠收音機。英國的BBC就是1922年建立的，丘吉爾常常發表廣播講話。羅斯福的「爐邊談話」也是各大廣播公司廣播出去的。
圖14-1 央斯基的大天線
廣播開始大發展，越洋通信的需求也變得越來越迫切，為了提高效率，定向天線能量集中的優點就被大家青睞。定向天線必須對準方向才能獲得最好的通信效果。美國貝爾實驗室的央斯基（圖14-1）在測試定向天線的時候，收到了一個奇怪的信號，而且這個信號似乎是每二十三小時五十六分鐘出現一次。他們感到奇怪，突然有人一拍大腿，這不是恆星日嗎！天球轉一圈是二十三小時五十六分鐘，太陽跟天球略有差異，是二十四小時。他們跑出屋外一看，恍然大悟，原來天線正對著燦爛的銀河，這個信號原來是銀河中心發出的信號。於是，一門新的學科就誕生了，叫做「射電天文學」。
天文觀測不僅要看，而且要聽。如果說大型光學望遠鏡是「眼睛」的話，那麼大型的射電望遠鏡就是「耳朵」。沒多久就爆發二次大戰了，科學技術在兩個領域內有了大發展：一個在核物理領域，原子彈就靠這個。戰後，大國都拚命搞原子彈，沒有原子彈，你說話是「蚊子叫」，無人理睬，有了原子彈，在國際上說話就是「獅子吼」，人家不能不聽。另外一個領域就是無線電技術大發展，英國率先搞出了雷達以及關鍵器件行波管，行波管以很小的體積就可以搞出極強烈的微波振蕩，美國人看到後愛不釋手。英國戰爭期間國力衰竭，不得已，壓箱底的寶貝都拿出來給美國人看。無線電/雷達技術的大發展，在戰後帶動了多項學科的進步，射電天文學也就跟著蓬勃發展，大家都開始建造大天線來接收宇宙的信號。
在二十世紀五十年代到六十年代，新技術層出不窮。隨著冷戰時代的來臨，大家都在比拚綜合國力，比誰可以引領時代的發展。科學技術當然是非常好的一個「進度條」，誰高誰低一目瞭然：蘇聯火箭拔得頭籌，把第一顆人造衛星發射進了太空；美國也不甘落後，開始了雄心勃勃的航天計劃，衛星與地面的通信就成了重頭戲，航天器測控也離不開雷達與衛星地面站，這些技術都對研究天文學起到了推動作用。
1964年，美國貝爾實驗室的工程師彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜架設了一台喇叭形狀的天線（圖14-2），用以接受「回聲」衛星的信號。為了檢測這台天線的噪音性能，他們將天線對準天空方向進行測量。這台天線非常大，人甚至可以鑽到天線上的一個小房間去工作，可見這個天線體型之巨。
但是，他們發現這個天線始終有「滋滋啦啦」的噪音，怎麼也去不掉，難道是旁邊紐約市造成的雜音信號？他們調整天線對著紐約市方向，沒變化，並沒有增強，對著天上，也還是一樣。
圖14-2 巨大的喇叭狀天線
他們覺得這是天線自己的問題，因為噪音的狀況不隨角度變化，你隨便對著哪個方向都一樣。他們首先想到，這會不會是天線本身產生的噪音呢？後來他們查來查去，果然發現了有一窩鴿子在天線裡面搭了個窩，還生了一窩蛋，拉了一堆鴿子糞。後來他們寫論文的時候，沒好意思寫鴿子糞，寫的是鴿子的白色分泌物。
這兩位工程師一看，這還了得！有暫住證嗎？這是欺負美國沒城管嗎？你們倒是不拿自己當外人啊！那時候保護動物的概念已經深入人心，這一窩鴿子還不能碰！你要強拆人家保護動物的人士不答應。於是趕快找動物保護人員，把這一窩鴿子還有鴿子蛋全都移走。然後他倆徹底把天線打掃了一遍，因為髒東西也會帶來噪音。打掃完畢，乾乾淨淨的，一開機，噪音又來了，兩人差點哭暈在廁所裡，這是怎麼回事啊？
他倆寫了一篇論文，發表在《天體物理學報》上，順便還打電話到了附近的普林斯頓大學。迪克小組接聽以後，心立刻就「拔涼拔涼」的，他們要找的東西，被兩個一頭霧水的工程師發現了，到手的鴨子飛了！
不久迪克、皮伯斯、勞爾和威爾金森在同一雜誌上以《宇宙黑體輻射》為標題發表了一篇論文，對這個噪音給出了正確的解釋，這就是微波背景輻射，是宇宙誕生之初大爆炸的餘熱。
彭齊亞斯和威爾遜他們兩個人測出來的波長大約7.35厘米，折算成黑體輻射的話，大約是2.73K的溫度。大爆炸的餘溫被測量到了，而且跟當初的預言吻合得非常好，因此大爆炸宇宙學也就成了大家普遍接受的主流學說。彭齊亞斯和威爾遜後來雙雙獲得了諾貝爾物理學獎，其他人只能仰天長歎：運氣來了誰都擋不住啊！要是不走運，喝涼水都塞牙。
在二十世紀六十年代有四大天文發現：類星體、脈衝星、微波背景輻射、星際有機分子，都與射電天文有關係，但是脈衝星的發現歷程也很有戲劇性。
在1967年，天文學家休伊什的女研究生喬瑟琳·貝爾·博內爾突然發現，記錄射電信號的紙帶上出現了奇怪的脈衝，每一點三秒就出現一次。經過二十世紀四十年代末羅斯威爾事件的渲染，以及後來「小綠人」在社會上瘋傳，當時的人不免發生聯想：如此精確的時間間隔，是不是外星人在向我們發射信號啊？但是大家聽了好久，發現這個信號一點兒變化也沒有，要想發信息，怎麼的也要來個莫爾斯電碼滴滴答吧？看來不是外星人的信號。第一個脈衝信號是1967年夏天發現的，到了冬天快過聖誕節的時候，貝爾發現了第二個信號，週期是一點二七四。很快，類似的信號被發現得越來越多，事已至此，人們基本排除了是外星人發信號和我們聯繫，這應該是一個普遍的天文現象，到底是什麼玩意兒能發出這麼規律的脈衝呢？
圖14-3 休伊什和射電望遠鏡的天線
這種天體被直接了當地稱為「脈衝星」。到底是什麼原因使這種天體可以如此快如此准的發出脈衝呢？貝爾的導師休伊什（圖片14-3）給予了一個解釋，那就是這個天體在瘋狂地旋轉，但是電磁波的發射方向和自轉軸不重合，有一定的偏移角度，就像海邊的燈塔一樣，光柱在旋轉掃瞄，脈衝星在發瘋地旋轉，強大的射電信號恰好掃過地球，被我們接收到，那麼就會出現一個脈衝。每隔一點三秒收到一個脈衝，那就說明這個天體每一點三秒轉一圈。這是個難以想像的瘋狂速度，要知道地球轉一圈是二十四小時，也就是八萬六千四百秒啊！後來又發現了毫秒脈衝星，自轉週期達到毫秒級。
圖14-4 陣列天線
1974年，因為在脈衝星方面的研究以及射電天文技術上的創新，休伊什和賴爾為此共同獲得了諾貝爾物理學獎。休伊什他們用的射電望遠鏡是賴爾設計的，非常具有獨創性，天線長得不像個大鍋，倒像個農場。用分佈式的一大堆天線（圖14-4），來代替一個大鍋，這樣可以獲得更強的觀測能力。他倆獲獎倒是實至名歸，但是，最早發現脈衝信號的女研究生喬瑟琳·貝爾·博內爾則什麼也沒拿到。很多人都為她鳴不平，不過她還是具備了一個光榮的稱號叫做「脈衝星之母」。2006年布拉格天文大會，她是大會主席，那時候的貝爾已經是個年過花甲的老太太了，一頭花白的短髮，仍顯得精神矍鑠。她在主席台上一手抱著普魯托狗玩偶，一邊等著統計投票結果，然而最後還是乾脆利落地把冥王星開除了行星資格。不得不感歎，歲月是把殺豬刀啊！時間都去哪兒了？時間在永不停歇地流逝著……
大家在驚歎脈衝星（圖14-5）高轉速之餘，又開始疑惑起來：到底是什麼樣的天體能受得了如此瘋轉而不散架呢？答案只有一個，那就是當年朗道以及茲威基和巴德預言的中子星。時隔三十多年，終於塵埃落定。中子星的密度高得嚇人，質量比太陽大不了幾倍，直徑卻只有12-20千米上下，相當於地球上一座山的尺寸。
當然了，中子星上也不全是中子，切開了看，說不定裡面是一鍋「夸克湯」。有人預言，有夸克星的存在。有那麼幾個中子星顯得比較奇怪，比如RXJ1856，距離地球大約四百光年，測量了一下直徑，發現只有十英里，照理說中子星不該這麼小，難道是更加緻密的夸克星？還有一顆怪星，編號3C58，在1181年亞洲天文學家曾經觀察到發生過超新星爆炸，計算一下到現在溫度應該是大約三千五百六十萬度，可是一測量，大家大跌眼鏡，這傢伙溫度只有一百萬度。這傢伙怎麼冷的這麼快啊？假如密度是中子星的五倍的話，倒是可能冷的這麼快，難道這也是一顆夸克星？不過到現在並沒有什麼特別直接的證據。
圖14-5 脈衝星示意圖
中子星大概是長得最標準的球體，因為引力大得驚人，自己把自己捏成了近乎完美的對稱形狀，即便是有起伏的「山脈」，大約也就幾厘米高。中子星表面要想承受這些「山脈」的重量，就必須有非常大的強度，表面必須非常硬，大約是鋼鐵的一百億倍。科學家們關心中子星不是為了山脈，是為了另外一個東西，叫做「引力波」。有關引力波的話題，我們後文再講，這也是一個劇情大反轉的故事，此處按下不表。
總之，超越錢德拉塞卡極限的天體被發現了，錢德拉塞卡也在七十三歲高齡的時候獲得了諾貝爾物理學獎（圖14-6）。離他當年計算錢德拉塞卡極限，已然過去了幾十年。那麼，前面還有一個奧本海默極限呢，超越奧本海默極限的天體能不能找到呢？二十世紀六十年代的天文學家們普遍沒信心，但是物理學家們倒是信誓旦旦地說存在，他們拍胸脯保證一定是有的。到了二十一世紀的今天倒是來了個大反轉，天文學家們都說有，物理學家們倒是狐疑起來：這東西真是黑洞嗎？那麼它們夠不夠「黑」啊？
圖14-6 錢德拉塞卡獲諾貝爾獎
黑洞夠不夠黑，這的確是個問題！令大家大跌眼鏡的是，這個黑洞居然會輻射粒子。讓我們回到二十世紀六十年代來回望一下那段腦洞大開的研究史吧！
因為微波背景輻射被找到了，這是很明顯的證據。伽莫夫他們提出的大爆炸學說現在已經在風頭上壓過了穩恆態宇宙模型，但是霍伊爾還是不相信這個理論，一度曾經有所動搖，但他後來又反水了，提出了新的穩恆態模型。不過大家對他的理論已經普遍興趣不大了，當年那個崇拜他的超級粉絲霍金也已經長大成人。他打算報考霍伊爾的研究生，但是很遺憾，霍伊爾的學生太多，就把霍金調劑給了另外一位老師丹尼斯·夏瑪。霍金這孩子很聰明，十七歲考進了牛津大學，還當上了賽艇隊的舵手，是個風華正茂，才智出眾的年輕人。可是，在牛津的最後一年裡，他開始變得笨拙，時常摔跤，人們注意到，這個學生的身體出現了問題。
在考入劍橋大學之後，霍金的身體越來越差，講話開始含混不清。父母帶他去做了檢查，他得了「肌萎縮性脊髓側索硬化症」，俗稱「漸凍人」，醫生預言他活不過兩年。但是，他還是挺過來了，儘管他的生活空間越來越小，身體能活動的部分越來越少，後期他幾乎全身都不能動彈，但是這不妨礙他的大腦思考那最深邃最遙遠的宇宙盡頭問題。這就是他的使命，不是嗎？
還好，他沒有成為霍伊爾的研究生，霍伊爾常年在外，在校園內停留的時間都不多，很難說會有多大精力去帶學生，畢竟人家事務繁忙。夏瑪老師則不同，他能實實在在地在學校裡面好好培養呵護自己的學生，特別是霍金這樣身有殘障的年輕人。老師雖然自己還是偏向穩恆態宇宙，但是他鼓勵霍金有自己的想法。夏瑪是狄拉克的學生，說起來，狄拉克是霍金的師爺，也正擁有著名聲最大的教職——劍橋大學盧卡斯數學講座教授。當初牛頓也擔任過這個教職，還是國王親批的。若干年後，霍金也將擔任這個教職，一幹就是幾十年……
在劍橋上學期間，夏瑪老師時常帶著學生外出聽講座，結識各個領域的專家學者，霍金撐著不便的身體也跟著一起去。有一次碰到兒時的偶像霍伊爾講學，霍金髮現一個錯誤，不依不饒地大喊：「那個量是發散的！」鬧得霍伊爾下不來台。偶像又怎樣呢？吾愛吾師，吾更愛真理！
夏瑪老師的一大功勞便是把彭羅斯拉來入伙，從數學領域跳過來研究相對論和宇宙學。早在二十世紀五十年代，夏瑪老師在餐館裡碰上了彭羅斯，彭羅斯就顯示出了非凡的天分。後來彭羅斯和霍金也成了很好的朋友，在夏瑪老師的帶領下研究廣義相對論。彭羅斯比霍金大了十一歲，大約就是李白與杜甫的年齡差距。彭羅斯本行是數學家，在拓撲學領域有很深的功底，他把拓撲學引入了廣義相對論的研究。美國的物理學家對拓撲學並不重視，蘇聯人也不重視。朗道是蘇聯物理學界的學霸，他的入學考試號稱叫「朗道勢壘」，難度簡直變態，能考進去的都是人尖。但是朗道不考拓撲學，因此另闢蹊徑的任務就落到了英國人身上。法國人幹什麼去了？天知道！
這個拓撲學又是個什麼學科呢？大家都玩過七巧板或者拼圖嗎？從理論上講，這也算是拓撲學。拓撲學關注位置關係，不關心大小。曾經有個笑話，說有個老闆想造一個動物園，這就需要去抓很多動物，然後把動物關在籠子裡。這需要一大筆錢，老闆就問各位專家，有沒有省點錢的辦法。大家面面相覷，最後有個拓撲學家發言了，他說不用去抓野生動物，動物已經被抓住了。你想啊，一般的動物園都是動物們關在籠子裡，人在外邊看，現在我們把空間關係翻轉過來：把人放在籠子裡，動物放在外邊，這不是一樣的效果嘛！老闆大受啟發，於是世界上第一個野生動物園誕生了。果然是把人關在籠子裡，動物在外邊自由自在地溜躂。
故事當然是當個段子來聽，但拓撲學的思維告訴你空間的位置關係是個很深奧的東西，特別是高維空間內的拓撲結構。數學上著名的「莫比烏斯帶」和「克萊因瓶」，倒是給人比較直觀的感受。
圖14-7 莫比烏斯帶只有一個面
莫比烏斯帶（圖14-7）是個彎曲的二維面，在三維空間裡面反扭了一下。這是一個沒有正反面的二維空間，純粹只有一個面。你拿一支筆來塗顏色的話，可以不抬筆全部塗滿。我們假想有一種二維的小人，生活在這種二維空間之內。他就會發現，當他轉一圈返回出發點的時候，居然成了原來的鏡像，完全顛倒過來了，不過不要緊，他再跑一圈就正過來了。感受到拓撲學的魅力了吧！
圖14-8 克萊因瓶
克萊因瓶（圖14-8）是另外一種情況：這是一個有限無邊的面，但是它也只有一個面。因為克萊因瓶是三維的，要想實現只有一個面，必須有第四個維度來幫忙，就如同莫比烏斯帶一樣。二維空間，要想實現只有一個面，就必須在第三個維度裡面反扭一下。我們平時生活在三維空間裡，感受不到第四個維度。因此你只能想像一下，克萊因瓶下面那個交叉的地方其實並不交叉，因為，瓶子尾巴是通過另外的維度接上瓶口的，這需要強大的腦補能力，暫時就別瞎想了，拓撲學匪夷所思的地方還多著呢。
愛因斯坦的廣義相對論在戰後已經成為物理學家們必須瞭解的一門學問，不像戰前，瞭解的人並不多。但是對於奇點，大家意見並不統一，一個質量足夠大的恆星真的能夠一步步塌縮成為一個點嗎？這個點究竟是怎麼樣的一種存在？那個早在第一次世界大戰的戰壕裡被計算出來的史瓦西解就可以描述一個最簡單的黑洞，這個黑洞是個靜態球對稱而且不旋轉不帶電的黑洞。不久以後，帶電的RN黑洞也被計算出來了。相對來講，帶電的RN黑洞只比史瓦西黑洞複雜了一點兒。到了二十世紀六十年代初，隨著對大爆炸以及恆星塌縮過程的研究。奇點問題已經繞不過去了。究竟在塌縮的恆星之中，能不能生成奇點呢？大家眾說紛紜。
蘇聯科學界相對來講比較封閉。他們與西方的學術交流還是有的，但是顯然沒那麼通暢，甚至名稱術語都不統一：西方叫「塌縮星」，蘇聯叫「冷凍星」，倒是美國的惠勒在一次報告上用了「黑洞」這個詞彙。大家都覺得這個詞不錯，很傳神地描述了這一類天體的特徵，於是黑洞就成了標準的稱呼。惠勒的人生跨度很長，在二十世紀三十年代他與玻爾一起工作過，後來在普林斯頓又與愛因斯坦成為同事。麥卡錫橫行之時，泰勒要去非美委員會作證，對奧本海默不利，惠勒連夜苦勸無效，氫彈之父告發了原子彈之父，這是科學史上的悲劇。
惠勒後來一直活到了北京奧運會前夕，是哥本哈根時代僅存的大師。他一輩子培養出不少好學生，比如研究蟲洞和引力波的基普·索恩，提出黑洞熵的貝肯斯坦都是他的學生，在後文都會提到他們。
彭羅斯進入相對論領域，首先就證明了奇點的問題。彭羅斯用數學證明，奇點必定會出現，特別是黑洞裡。這一套數學證明的過程用到了拓撲學，後來霍金把這個結論推廣到了宇宙起始的那一刻，宇宙的開端必定有奇點。夏瑪老師和彭羅斯以及霍金他們一夥人把劍橋變成了歐洲黑洞研究的老巢。
蘇聯人對外交流不算多，偶爾也來一趟，哈拉尼科夫做了個報告，栗弗席茲在家坐鎮沒來。他們認為黑洞裡面的奇點並不穩定，在擾動之下可能有問題。當場有人提出了彭羅斯的理論，蘇聯人大驚失色，他們沒聽說過有這種理論。更加令人可怕的是他們對拓撲學不熟悉，彭羅斯的玩意看不懂。照理說，蘇聯人擔心也並不是沒道理，天體並不是完美的對稱形狀，同時下落匯聚的時候，能不能準確地同時匯聚到一個點上呢？萬一對歪了沒打中呢？萬一時間對不上，彼此錯過了呢？這是很正常的想法。
蘇聯的澤爾多維奇他們一幫子人當年是搞核彈的，原子彈爆炸也遇到了類似問題。核裝藥是分解成好多塊擺在一個球面上，周圍全是炸藥。炸藥要極其精確地同時起爆，各個核裝藥塊在爆炸的推擠下，要在千分之一毫秒的時間裡齊刷刷地撞到一起，同時中子源點火，時間上不能彼此錯過，空間上不能對歪一絲一毫，核彈才能順利起爆，做不到就只能放個啞炮。原子彈原理講起來並不複雜，真要做到那可是千難萬難。蘇聯人把核彈計算上用的思路移植到了黑洞塌縮上。當然了，原子彈去引燃氫彈的過程也是類似的，在黑洞計算上也可以借鑒，澤爾多維奇就是蘇聯研製氫彈的功臣之一，這種辦法很可靠，而且大家也都信得過。好多物理學家懷疑彭羅斯他們，惠勒倒是偏向彭羅斯。要是奇點還要考慮量子效應，那又是一個頭兩個大。
彭羅斯他們沒工夫管這些事情，和霍金幾個人開始發展這套分析方法，很快，就成了一個非常厲害的體系。他們提出了新的奇點定理，一幫物理學家不得不惡補拓撲學的知識。這種情形在歷史上也不是第一次出現了，當年他們也是惡補微分幾何、惡補矩陣，現在開始惡補拓撲學。數學家動動嘴，物理學家跑斷腿啊！
圖14-9 栗弗西茲是朗道的助手
後來，索恩和霍金幾個人去了蘇聯，見了見蘇聯的朋友們，栗弗席茲（圖片14-9）倒是痛痛快快地承認了錯誤。反正栗弗席茲很坦誠，他們用傳統方法也算出了一個可以穩定存在的奇點，大家殊途同歸。傳統方式能算出更加豐富的信息，拓撲學只能告訴你有奇點，卻不能告訴你別的。
奇點的問題告一段落，視界面還有問題。天體並不是完全對稱的，萬一是個歪瓜裂棗的形狀，塌縮過程中能不能形成個完美的球形視界面呢？蘇聯的澤爾多維奇小組得出來的結果是——「天空飄來五個字，那都不是事」，略微有些起伏沒關係。在塌縮的過程中，這些不完美的地方會變成引力波輻射出去，最後變成完美的對稱形狀。蘇聯人一宣讀結論，西方人就感到震驚，看來鐵幕那一邊的人還是很有實力的。澤爾多維奇是研究核彈出身，後來才轉行來折騰黑洞的。計算黑洞的塌縮過程，把氫彈計算上要用到的那些壓力、激波、高溫、核反應、輻射全都用上了。
夏瑪老師經常派學生去參加各種各樣的學術會議，有時候是霍金去，有時候是別人。這一次去的是埃利斯，他回來以後兩眼放光，講座上愛爾蘭的伊斯雷爾提到他算出來的結果：哪怕天體是方的，塌縮成黑洞也會得到一個完美球對稱的形狀。
電荷與角動量不會變成引力波輻射出去，因此不會被抹平，這兩個信息是丟不掉的。黑洞就只剩下三個信息：旋轉、電荷、質量。任何一個黑洞，有這三個信息你就能描述了，這是一個非常毀三觀的結論。普通人一定會問：吸進去的物質都到哪裡去了？其實這不奇怪，我們平時生活裡見到的物體總可以獲得許多信息，一塊蛋糕你可以掂量掂量有多重，也可以咬一口看看軟硬，還可以嘗嘗是甜的還是鹹的。總之，一塊蛋糕裡包含了非常豐富的信息。我們都是通過這些信息來理解特定事物的，信息越是豐富，我們就越是覺得這個東西實在，相反就不太能接受。氣體的信息就少多了，沒有形狀，也不一定有味道，很可能沒有顏色，瞭解空氣只能通過流動時產生的風和氣壓。面對黑洞，我們很不安，物質掉進黑洞裡，我們熟悉的那些信息統統感受不到了。對此，我們的腦子很難接受。大家總是腦補，物質一定囤積在黑洞的內部。人總是違拗不過直覺，可物理偏偏又是反直覺的，大跌眼鏡已經是家常便飯了。
搞廣義相對論的科學家們對此並不在意，奇葩的東西見怪不怪。惠勒充分體現了他為老不尊的一面，他把黑洞信息理論稱為「黑洞無毛定理」（這個詞在西方含有XXX的意味），物理學家們廣泛接受了這個稱呼，伊斯雷爾在自己論文中毫不猶豫地就寫上了「黑洞無毛定理」。倒是雜誌的編輯們受不了了，你們這幫子物理學家為什麼都這麼「污」！《物理評論》的老編輯們拒絕刊登這種含有污言穢語的文章，但最後還是胳膊擰不過大腿，大批的物理學家用得不亦樂乎，編輯們也不得不接受了這個詞。這個詞翻成中文倒是看不出什麼，有人還稱之為「三毛定理」，倒也是蠻貼切的。
惠勒一向很頑皮，他七十歲生日的時候，正好參加學術會議。他發現沒人記得今日是他的七十大壽，一份禮物都沒收到。於是就在別人的椅子腿後面綁了鞭炮，一聲轟響，現場亂作一團……