愛因斯坦為何拒絕黑洞，而物理學(xué)家為什么喜歡研究黑洞？

3601館長 2020-07-04

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2019年4月10日，有史以來第一張黑洞照片（橢圓星系M87核心黑洞）

愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言了黑洞，但愛因斯坦曾拒絕這個預(yù)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”的一種虛妄延續(xù)。

從1783年的猜測，到1916年至1960年的爭論，物理學(xué)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(fēng)度地走進了當(dāng)今物理學(xué)家的視野，并越發(fā)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？

起源：星辰大海中的幽冥之思

1783年，一個英國人在假想的星球上向天空開了一炮，炮彈出堂速度為30萬公里/秒……

John Michell

這個人是英國自然哲學(xué)家米歇爾（John Michell），他大膽將當(dāng)時盛行的光粒子說與牛頓的引力定律進行了結(jié)合，做了一個光炮彈的思想實驗。

那時人們已經(jīng)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公里/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，證明了一個天體逃逸速度的平方與其質(zhì)量成正比，與其半徑成反比。質(zhì)量不變半徑越小，天體的逃逸速度就越大。

如果能壓縮一個星球的半徑，逃逸速度就可以超過30萬公里/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，一顆巧克力豆大小，就會產(chǎn)生這樣的效果。

這樣高密度的星球可能嗎？米歇爾認(rèn)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，并稱呼它們?yōu)?strong>“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(xué)會匯報了關(guān)于暗星的預(yù)言。13年后，法國自然哲學(xué)家拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）才在他的名著《宇宙體系論》的第1版里，提出了相同的預(yù)言。

爭論：光革命帶來的認(rèn)知顛覆

Thomas Young

然而1808年，托馬斯·楊（Thomas Young）發(fā)現(xiàn)了光的，讓當(dāng)時光學(xué)“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。

像炮彈一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(chǎn)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(guān)暗星的描述。暗星概念隨之沉寂，無人問津。

直到100年后，愛因斯坦平衡了光學(xué)的理論天平，終結(jié)了光的“波粒之爭”，發(fā)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(xué)家再次建立起了引力對光作用的認(rèn)知，只是這一次是以“時空曲率”的概念。引力是時空曲率的直觀感受，而光與一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”更多是一種感官定義。

Karl Schwarzschild

廣義相對論發(fā)表后，不到一年。1916年，米歇爾和拉普拉斯的暗星預(yù)言，經(jīng)一位德國炮兵校尉：史瓦西（Karl Schwarzschild）之手，以一種更加古怪的方式呈現(xiàn)在了物理學(xué)界。

當(dāng)時，還在俄國前線戰(zhàn)壕蹲坑的史瓦西，以一種簡潔有效的方式：拋棄天體復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)問題，根據(jù)廣義相對論的場方程，計算出了任意無旋轉(zhuǎn)球狀天體內(nèi)外的時空曲率，并得出了一個描述黑洞的精確解。

以光速為逃逸速度，任何天體都有一個以史瓦西半徑，這也剛好對應(yīng)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(yīng)）。

然而，愛因斯坦對“天體被壓縮到史瓦西半徑之后”會塌縮為一個奇點的觀點卻皺起了眉頭。

反駁：愛因斯坦的拒絕

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(rèn)為自然界存在“史瓦西奇點”，畢竟沒有什么天體是不旋轉(zhuǎn)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(chǎn)。

1939年，愛因斯坦甚至還專門發(fā)表了一篇廣義相對論的計算文章，以解釋自然界為什么不可能存在“史瓦西奇點”。

他假想了一個靠著引力吸引而聚集在一起的運動粒子集團，然后通過計算證明了當(dāng)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(chǎn)生足夠的離心力，就必須運動地更快。

然而，當(dāng)這個集團小于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于1.5倍臨界值。

甚至愛因斯坦還計算了天體內(nèi)部壓力，得出當(dāng)一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于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(xué)家們有一種傾向性觀念：一個天體能得以存在，必須內(nèi)力與外力平衡。然而事實卻是內(nèi)力是可以舍棄的。

在這次認(rèn)知黑洞的戰(zhàn)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(jié)果有時并不一定能得到正確的答案。

認(rèn)知：黑洞架起了廣義相對論與量子力學(xué)的橋梁

從20世紀(jì)20年代到50年代，物理學(xué)家對“史瓦西奇點”的研究，實際上都只在針對一個問題：自然界允許存在這種物體嗎？

直到60年代后期，數(shù)學(xué)家克爾計算出了旋轉(zhuǎn)黑洞的精確解，天文學(xué)界在黑洞觀測上也有了進一步的發(fā)現(xiàn)，支持黑洞存在的證據(jù)開始壓到一切質(zhì)疑。1967年，“黑洞”這個名字正式被美國物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）叫響。大多數(shù)物理學(xué)家才開始認(rèn)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。這個時代黑洞物理學(xué)研究的主要成就，屬于黑洞的經(jīng)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(guī)定事件視界必須是完全平滑的，以此定理還可推導(dǎo)出黑洞在宏觀上只由質(zhì)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并，絕對無法分裂。當(dāng)時霍金還根據(jù)經(jīng)典理論證明了黑洞的溫度是絕對零度，不過這后來被他自己又證偽了。

60年代后，黑洞開始了全新的熱力學(xué)方向的研究。

在以色列物理學(xué)家雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)的黑洞熵概念的啟發(fā)下，1974年霍金提出了“霍金輻射”，即由于真空漲落，在黑洞附近產(chǎn)生的虛粒子對，有可能被事件視界分開，一個虛粒子掉進黑洞，另一個成功逃跑，進而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€實粒子。