關於黑洞,那些你所不知道的人和事
2019年04月09日09:23

  霍金在最後一本著作《十問》中曾寫道,“據說事實有時候比小說更奇怪,黑洞最能真實地體現這一點,它比科幻作家夢想的任何東西都更奇怪”。

  黑洞最初只存在於牛頓萬有引力定律和愛因斯坦廣義相對論的公式和方程中,它太奇特,以至於最初“預見”它的人都不相信黑洞真的存在。但黑洞的詭異、神秘也讓一代代科學家為之癡迷。直到2015年,首次探測到的引力波為黑洞的存在提供了具體證據。

  而今,科學家們更進一步,關於黑洞的第一張特寫照片即將在週三公佈!在焦急等待的這段時間里,我們把視線拉回,一起回顧人類追尋、探究黑洞的不凡之路。

  初識黑洞

  思想遊戲中“荒誕”的“暗星”

  人類發現黑洞的歷史可以追溯到18世紀末。1783年,在萬有引力定律提出一百年後,牛頓的“小校友”約翰·米歇爾首次提出,可能存在比太陽更大的恒星,其質量大到逃逸速度超過光速,光都被這種恒星的引力拽回去,無法逃脫。這位劍橋學監為想像中能夠“吸光”的大恒星起了名字,將其形象地稱作“暗星”。

  1795年,法國科學家皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在著作《世界系統》中表達了類似的觀點,提出存在光都無法逃逸的天體,也即“暗星”概念。拉普拉斯根據牛頓引力理論計算出,如果物體的半徑被壓縮到足夠小,它的逃逸速度將超過光速。

  但非常有趣的是,拉普拉斯在此書的第三版和以後的版本中再也不提此事了,或許他自己都覺得這個想法過於荒誕,只能作為思想遊戲,現實中並不存在。隨著拉普拉斯對此保持沉默,關於“荒誕暗星”的想法也被忽略了,一直到20世紀初。

  預見黑洞

  愛因斯坦方程的推理結果

  1907年,德國哥廷根大學的數學教授閔可夫斯基首次提出嚴密的四維時空幾何結構,將一直以來被認為是獨立的時間和空間以幾何的形式結合到一起,為廣義相對論的建立提供了框架。

  1915年,經常翹閔可夫斯基課的愛因斯坦,在狹義相對論和四維時空幾何基礎上,提出真正“預見”黑洞的廣義相對論。在科學院的演講中,愛因斯坦講述的觀點顛覆了此前人類的宇宙觀:我們棲息在一個名為“時空”的四維現實里,它隨著物質能量的變化而發生著波動。

  愛因斯坦將他的神奇創見集中展示在幾個核心方程中,即愛因斯坦場方程。通過這些方程,可以直接推導出某些大質量恒星會終結為一個黑洞——時空中的某些區域發生極度的扭曲以至於連光都無法逸出。

  丈量黑洞

  史瓦西的天才貢獻

  由於算法原因,愛因斯坦場方程在最初發佈時只有近似解,愛因斯坦本人對此也無能為力。公佈後僅僅過了20天,愛因斯坦便收到一封來自德軍東線陣地的來信,一位名叫卡爾·史瓦西的炮兵中尉在炮火連天的一戰前線給出了這個方程的精確解,他在戰壕里解決了這項世界級物理難題。

卡爾·史瓦西
卡爾·史瓦西

  和愛因斯坦一樣,卡爾·史瓦西出生在一個德國猶太家庭。少年史瓦西可謂“既仰望星空,又腳踏實地”,他很早便對天文學表現出極大的興趣,自己動手“攢”了台簡易的天文望遠鏡,早早開啟了天文探索之旅。

  此後,史瓦西的天才逐漸顯露:15歲獨立發表關於雙星軌道的論文;23歲取得博士學位;28歲任格廷根大學教授和該校天文台台長;40歲當選德國科學院院士,期間著作等身,貢獻卓越。然而,就在史瓦西當選院士不久,第一次世界大戰爆發了。史瓦西以41歲“高齡”加入了德國陸軍,先後被派到德軍西、東前線戰場擔任炮兵中尉。在大片焦土下的戰壕里,史瓦西迎來了他學術生涯的又一巔峰。

愛因斯坦
愛因斯坦

  他在寫給愛因斯坦的信中寫道:“如您所見,除了炮彈和重機槍的轟鳴聲干擾我的思緒,戰爭已經很善待我了,讓我擺脫世俗的一切,在思維領域有如此的漫步”。信中附帶的論文,正是史瓦西給出的愛因斯坦場方程的精確解,而此解的一個結果便是理論上存在黑洞。在隨後寄出的第二篇論文中,前線中尉又給出了關於星體內部時空彎曲的精確計算。

  在兩篇帶著硝煙味道的論文中,史瓦西提出,離緻密天體或大質量天體的中心某一距離處,逃逸速度等於光速,即在此距離以內的任何物質和輻射都不能溢出。後人將此距離稱為史瓦西半徑,並把上述天體周圍史瓦西半徑處的想像中的球面叫作視界。

  雖然離黑洞又進一大步,但無論是愛因斯坦還是史瓦西,他們都不相信黑洞真實存在。殘酷的戰爭最終沒有善待史瓦西,也沒給他更多時間去理解自己的發現,在俄國寒冷的德軍戰壕中,史瓦西患上了一種免疫性皮膚病,在論文發佈短短4個月後便英才早逝。

  現代黑洞

  從原子彈之父到發現引力波

  1939年9月1日,納粹德國軍隊入侵波蘭,第二次世界大戰爆發。就在同一天,美國物理學家羅伯特·奧本海默發表了第一篇關於黑洞的學術論文,這篇“持續引力收縮”成為探索黑洞歷史上的又一關鍵點。

羅伯特·奧本海默
羅伯特·奧本海默

  奧本海默在論文中預測,恒星在其自身引力場的影響下會持續收縮,從而形成一個具有強烈吸引力的物體,甚至連光都不會從中逃脫,這是現代黑洞概念的第一個版本。

  隨著戰爭升級,很多科學家都把方向轉移到了原子核物理學。引力坍縮的問題被拋到九霄雲外,奧本海默也成為曼哈頓計劃的負責人。到戰爭結束時,對宇宙的研究重新燃起。曾經被低估的廣義相對論重新複興,這對接受和理解黑洞至關重要。

  隨後,普林斯頓大學成為新一代研究相對論的中心。正是在那裡,核物理學家約翰·惠勒於1967年提出了“黑洞”這個名字。黑洞的名稱自此迅速流行起來,它象徵了黑暗和神秘。從那時起,關於黑洞更多的新屬性和類型紛紛被發現,直到2015年達到頂峰:首次探測到黑洞二元系統中產生的引力波,為黑洞的存在提供了第一個具體證據。

  黑洞之所以奇特,一個重要的點就是我們看不到它,它長久以來存在於數學家的方程解和物理學家的想像中。科學之所以美妙,一個重要的點就是即便我們看不到它,但人類的智慧能夠讓我們在百年前預見它、丈量它,直到天文學家即將為我們呈現黑洞照片,眼見為實地驗證這一跨世紀的太空“預言”。

  1913年,史瓦西當選德國科學院院士時曾說道,“數學、物理學、化學、天文學是同向前行的,無所謂誰落在後面,也無所謂誰在前頭並施以援手。而天文學,與這個精確科學組成的圈子,有著最緊密的關聯……數學、物理學、天文學構成了一個‘知識’,只能作為一個完美的整體而被理解。”而今,關於黑洞的最新成果無疑讓自然科學各學科更緊密地連在一起,讓我們感受到科學本身的力量。

  來源:科技日報

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