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黑洞史:從星辰大海的幽冥之思,到觸及“萬物之理”的聖杯

愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞,但愛因斯坦曾拒絕這個預言。

那時,“黑洞”之名還未崛起,被稱為“史瓦西奇點”的它,與如今的聲名赫赫大相徑庭。愛因斯坦、愛丁頓等廣義相對論大牛都視其為200多年前“暗星”的壹種虛妄延續。

從1783年的猜測,到1916年至1960年的爭論,物理學家實際都在討論黑洞是否存在這個問題。

在激烈的討論中,黑洞逐漸建立起了其宇宙咖位,即便在這幾百年間遭遇了太多的誤解,但依舊保持風度地走進了當今物理學家的視野,並越發深入人心。

從初識,到相知,我們對黑洞到底有過那些誤解?而如今我們又是如何看待它的呢?

1783年,壹個英國人在假想的星球上向天空開了壹炮,炮彈出堂速度為30萬公裏/秒……

這個人是英國自然哲學家 米歇爾 (John Michell),他大膽將當時盛行的 光粒子說 與牛頓的 引力定律 進行了結合,做了壹個光炮彈的思想實驗。

那時人們已經知道,雖然我們都被引力束縛在地球上,但只要速度足夠大就可以擺脫地球的引力束縛。能擺脫這種束縛的最小初速度,稱為 “逃逸速度” 。在地球表面,這個速度為11.2公裏/秒。

反過來說,如果速度達不到逃逸速度,物體都會被引力拽下來。

米歇爾用牛頓的引力定律,證明了壹個天體逃逸速度的平方與其質量成正比,與其半徑成反比。質量不變半徑越小,天體的逃逸速度就越大。

如果能壓縮壹個星球的半徑,逃逸速度就可以超過30萬公裏/秒,這意味著這個星球讓光都無法逃逸。在這樣的星球上,米歇爾的光炮彈永遠無法飛向太空。

以地球為例,只需將其壓縮到半徑僅1/3英寸,壹顆巧克力豆大小,就會產生這樣的效果。

這樣高密度的星球可能嗎?米歇爾認為可能,他甚至覺得夜空中存在著大量這樣看不見的幽冥星球,並稱呼它們為 “暗星” ,這就是最早、最原始的黑洞概念。

1783年11月27日,米歇爾向皇家學會匯報了關於暗星的預言。13年後,法國自然哲學家 拉普拉斯 (Pierre Simon Laplace)才在他的名著《宇宙體系論》的第1版裏,提出了相同的預言。

然而1808年,托馬斯·楊(Thomas Young)發現了光的雙縫幹涉現象,讓當時光學“波粒之爭”的天平傾向了惠更斯(Christiann Huygens)提出的波動說。牛頓光粒子說的主流地位由光波動說所代替。

像炮彈壹樣受引力影響的光粒子變成了似乎不會受引力影響的光波(那時的人們還不知道引力會對光波產生怎樣的作用)。大概因為這個原因,拉普拉斯的《宇宙體系論》從第3版開始刪除了有關暗星的描述。暗星概念隨之沈寂,無人問津。

直到100年後,愛因斯坦平衡了光學的理論天平,終結了光的“波粒之爭”,發展出了光的“波粒二象性”。

1915年11月,廣義相對論更是橫空出世,讓物理學家再次建立起了引力對光作用的認知,只是這壹次是以“時空曲率”的概念。 引力是時空曲率的直觀感受,而光與壹切物體在不受外力的情況下,必定在時空中以“短程線”運動。

所謂的“短程線”,可以說是時空中真正的最短路徑,而日常說的“直線”更多是壹種感官定義。

廣義相對論發表後,不到壹年。1916年,米歇爾和拉普拉斯的暗星預言,經壹位德國炮兵校尉:史瓦西(Karl Schwarzschild)之手,以壹種更加古怪的方式呈現在了物理學界。

當時,還在俄國前線戰壕蹲坑的史瓦西,以壹種簡潔有效的方式:拋棄天體復雜的旋轉問題,根據廣義相對論的場方程,計算出了任意無旋轉球狀天體內外的時空曲率,並得出了壹個描述黑洞的精確解。

以光速為逃逸速度,任何天體都有壹個以史瓦西半徑,這也剛好對應米歇爾和拉普拉斯計算出的暗星臨界周長。不過因為有“時空曲率”概念的加持,空間的卷曲意味著光無法逃離,時間的卷曲還意味著時間流速的減慢(時間膨脹效應)。

然而,愛因斯坦對“天體被壓縮到史瓦西半徑之後”會塌縮為壹個奇點的觀點卻皺起了眉頭。

在欣賞史瓦西計算出的天體時空曲率的同時,愛因斯坦卻不認為自然界存在“史瓦西奇點”,畢竟沒有什麽天體是不旋轉的。再加上對恒星塌縮的不了解,愛因斯坦武斷拒絕了廣義相對論的這個理性財產。

1939年,愛因斯坦甚至還專門發表了壹篇廣義相對論的計算文章,以解釋自然界為什麽不可能存在“史瓦西奇點”。

他假想了壹個靠著引力吸引而聚集在壹起的運動粒子集團,然後通過計算證明了當這個集合越來越緊密時,球面上的引力就會增強,而在球面上運動的粒子為了產生足夠的離心力,就必須運動地更快。

然而,當這個集團小於1.5倍臨界周長時,引力會變得非常巨大,表面上的粒子就不得不超過光速。所以粒子集團不可能小於1.5倍臨界值。

甚至愛因斯坦還計算了天體內部壓力,得出當壹個天體的周長被壓縮到1.125倍臨界周長時,中心的壓力就會成為無限大,但無限大的壓力不可能存在。所以天體也就不可能小於1.125倍臨界周長。

愛因斯坦的計算是正確的,但他的理解卻錯了。這是因為在那個時代,物理學家們有壹種傾向性觀念:壹個天體能得以存在,必須內力與外力平衡。然而事實卻是內力是可以舍棄的。

在這次認知黑洞的戰役中,曾幫助愛因斯坦洞察引力的直覺,卻阻礙了他對黑洞的洞察。由此可知,正確的結果有時並不壹定能得到正確的答案。

從20世紀20年代到50年代,物理學家對“史瓦西奇點”的研究,實際上都只在針對壹個問題:自然界允許存在這種物體嗎?

直到60年代後期,數學家克爾計算出了旋轉黑洞的精確解,天文學界在黑洞觀測上也有了進壹步的發現,支持黑洞存在的證據開始壓到壹切質疑。1967年,“黑洞”這個名字正式被美國物理學家 約翰·阿奇博爾德·惠勒 (John Archibald Wheeler)叫響。大多數物理學家才開始認真面對黑洞。

60年代以前,人們主要都是利用廣義相對論研究黑洞的時空結構。這個時代黑洞物理學研究的主要成就,屬於黑洞的經典理論。

如1967年,由沃納·以色列(Werner Israel)證明的 “無毛定理” ,該定理規定事件視界必須是完全平滑的,以此定理還可推導出黑洞在宏觀上只由 質量、角動量、電荷 三個物理量決定,進階為 “三毛定理”

以及1971年,霍金證明的黑洞 “面積定理” ,即在黑洞事件視界面積在順時方向永不減小。這意味著黑洞只能合並,絕對無法分裂。當時霍金還根據經典理論證明了黑洞的溫度是絕對零度,不過這後來被他自己又證偽了。

60年代後,黑洞開始了全新的熱力學方向的研究。

在以色列物理學家雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)的黑洞熵概念的啟發下,1974年霍金提出了“霍金輻射”,即由於真空漲落,在黑洞附近產生的虛粒子對,有可能被事件視界分開,壹個虛粒子掉進黑洞,另壹個成功逃跑,進而轉變為壹個實粒子。

這在遠處的觀察者看來,就像黑洞在輻射壹樣。而且由於黑洞內外時空結構的不同,掉進去的大多是負粒子,所以黑洞會由於霍金輻射而失去質量。輻射也意味著黑洞有溫度。

壹個5倍太陽質量的黑洞,理論溫度約10^-7K,不吃不喝也需要10^62年才會消失殆盡。黑洞的溫度與質量成反比,所以黑洞質量越小,輻射越強,溫度越高,壽命也越短。

霍金輻射的出現,可以說開啟了黑洞量子領域的研究。黑洞會蒸發,意味著它吃進去的信息總有壹天會消失,這是量子力學不允許的,為了對抗黑洞信息悖論,出現了 互補原理 全息原理 ,進而又引出了 黑洞火墻悖論

至今,如何處理這些悖論依舊是壹個謎。

總之,誕生於廣義相對論的黑洞,其具體的特性卻需要量子力學來描述,而愛因斯坦對量子力學壹直持有“不完備”的質疑,或許這也是他對黑洞產生原始抗拒的由來。

然而正因如此,物理學家越來越著迷於黑洞,因為在黑洞研究的領域裏,物理學家似乎找到了使20世紀物理學最偉大的兩個成就: 廣義相對論 量子力學 結合的可能性。

為了觸及“萬物之理”的物理聖杯(即壹個單壹理論解釋所有物理現象),深層次認知黑洞就成為了至關重要的壹步。

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