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黑洞的跨世纪发现之路

  霍金在最后一本着作《十问》中曾写道,“据说事实有时候比小说更奇怪,黑洞最能真实地体现这一点,它比科幻作家梦想的任何东西都更奇怪”。

  黑洞最初只存在于牛顿万有引力定律和爱因斯坦广义相对论的公式和方程中,它太奇特,以至于最初“预见”它的人都不相信黑洞真的存在。但黑洞的诡异、神秘也让一代代科学家为之痴迷。直到2015年,首次探测到引力波为黑洞的存在提供了具体证据。

  而今,关于黑洞的第一张特写照片已经公布!人类走过了追寻、探究黑洞的不凡之路。

  初识黑洞——思想游戏中“荒诞”的“暗星”

  人类发现黑洞的历史可以追溯到18世纪末。1783年,在万有引力定律提出一百年后,牛顿的“小校友”约翰·米歇尔首次提出,可能存在比太阳更大的恒星,其质量大到逃逸速度超过光速,光都被这种恒星的引力拽回去,无法逃脱。这位剑桥学监为想象中能够“吸光”的大恒星起了名字,将其形象地称作“暗星”。

  1795年,法国科学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯在着作《世界系统》中表达了类似的观点,提出存在光都无法逃逸的天体,也即“暗星”概念。拉普拉斯根据牛顿引力理论计算出,如果物体的半径被压缩到足够小,它的逃逸速度将超过光速。但非常有趣的是,拉普拉斯在此书的第三版和以后的版本中再也不提此事了,或许他自己都觉得这个想法过于荒诞,只能作为思想游戏,现实中并不存在。随着拉普拉斯对此保持沉默,关于“荒诞暗星”的想法也被忽略了,一直到20世纪初。

  预见黑洞——爱因斯坦方程的推理结果

  1907年,德国哥廷根大学数学教授闵可夫斯基首次提出严密的四维时空几何结构,将一直以来被认为是独立的时间和空间以几何的形式结合到一起,为广义相对论的建立提供了框架。

  1915年,经常翘闵可夫斯基课的爱因斯坦,在狭义相对论和四维时空几何基础上,提出真正“预见”黑洞的广义相对论。在科学院的演讲中,爱因斯坦讲述的观点颠覆了此前人类的宇宙观:我们栖息在一个名为“时空”的四维现实里,它随着物质能量的变化而发生着波动。爱因斯坦将他的神奇创见集中展示在几个核心方程中,即爱因斯坦场方程。通过这些方程,可以直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。

  丈量黑洞——史瓦西的天才贡献

  由于算法原因,爱因斯坦场方程在最初发布时只有近似解,爱因斯坦本人对此也无能为力。公布后仅仅过了20天,爱因斯坦便收到一封来自德军东线阵地的来信,一位名叫卡尔·史瓦西的炮兵中尉在炮火连天的一战前线给出了这个方程的精确解,他在战壕里解决了这项世界级物理难题。

  和爱因斯坦一样,卡尔·史瓦西出生在一个德国犹太家庭。少年史瓦西早早开启了天文探索之旅。

  在当选德国科学院院士不久,第一次世界大战爆发了,史瓦西以41岁“高龄”加入了德国陆军。在大片焦土下的战壕里,史瓦西迎来了他学术生涯的又一巅峰。

  他在给爱因斯坦的信中写道:“如您所见,除了炮弹和重机枪的轰鸣声干扰我的思绪,战争已经很善待我了,让我摆脱世俗的一切,在思维领域有如此的漫步。”信中附带的论文,正是史瓦西给出的爱因斯坦场方程的精确解,而此解的一个结果便是理论上存在黑洞。在随后寄出的第二篇论文中,这位身处前线的中尉又给出了关于星体内部时空弯曲的精确计算。

  在两篇带着硝烟味道的论文中,史瓦西提出,离致密天体或大质量天体中心的某一距离处,逃逸速度等于光速,即在此距离以内的任何物质和辐射都不能逸出。后人将此距离称为史瓦西半径,并把上述天体周围史瓦西半径处的想象中的球面叫作视界。虽然离黑洞真相又前进了一大步,但无论是爱因斯坦还是史瓦西,他们都不相信黑洞真实存在。残酷的战争最终没有给他更多时间去理解自己的发现,在俄国寒冷的德军战壕中,史瓦西患上了一种免疫性皮肤病,在论文发布短短4个月后便英才早逝。

  现代黑洞——从原子弹之父到发现引力波

  1939年9月1日,就在第二次世界大战爆发同一天,美国物理学家罗伯特·奥本海默发表了第一篇关于黑洞的学术论文,文中提出的“持续引力收缩”成为探索黑洞历史上的又一关键点。

  奥本海默在论文中预测,恒星在其自身引力场的影响下会持续收缩,从而形成一个具有强烈吸引力的物体,甚至连光都不会从中逃脱,这是现代黑洞概念的第一个版本。

  随着战争升级,很多科学家都把方向转移到了原子核物理学。引力坍缩的问题被抛到九霄云外,奥本海默也成为曼哈顿计划的负责人。二战结束后,曾经被低估的广义相对论重新复兴,这对接受和理解黑洞至关重要。普林斯顿大学成为新一代研究相对论的中心。正是在那里,核物理学家约翰·惠勒于1967年提出了“黑洞”这个名字。黑洞的名称自此迅速流行起来,它象征了黑暗和神秘。从那时起,关于黑洞更多的新属性和类型纷纷被发现,直到2015年达到顶峰:首次探测到黑洞二元系统中产生的引力波,为黑洞的存在提供了第一个具体证据。

  黑洞之所以奇特,一个重要的点就是我们看不到它,它长久以来存在于数学家的方程解和物理学家的想象中。科学之所以美妙,一个重要的点就是即便我们看不到它,但人类的智慧能够让我们在百年前预见它、丈量它,直到天文学家为我们呈现黑洞照片,眼见为实地验证这一跨世纪的太空“预言”。

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