黑洞理論簡史,從開始的暗星理論到二戰和曼哈頓計劃


2018年,引力波天文臺LIGO宣佈,他們探測到了有史以來觀測到的最遠、質量最大的時空漣漪源:由一對黑洞在深空碰撞引發的波。直到2015年,我們才能夠觀察到這些無形的天體,它們只能通過引力來探測。我們尋找這些神秘物體的歷史可以追溯到18世紀,但關鍵階段發生在人類歷史上一個相當黑暗的時期—第二次世界大戰。18世紀,自然哲學家約翰·米歇爾(John Michell)和後來的皮埃爾-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)首先提出了一種可以捕獲光,從而使宇宙其他部分看不見的物體的概念。他們利用牛頓引力定律來計算光粒子從物體中逃逸的速度,預測恆星的存在,這些恆星的密度大到光都無法逃逸。米歇爾稱它們為“暗星”。但是在1801年發現光以波的形式存在之後,人們就不清楚光會如何受到牛頓引力場的影響,所以暗星的想法就被拋棄了。人們花了大約115年的時間才理解波形式的光在引力場的影響下是如何運動的,阿爾伯特·愛因斯坦1915年的廣義相對論,以及卡爾·史瓦西一年後對這個問題的解答。史瓦西也預言了一個物體的臨界周長的存在,超過這個臨界周長光將無法穿過:史瓦西半徑。這個想法和米歇爾的相似,但現在這個關鍵的周長被理解為一個不可逾越的障礙。直到1933年,喬治•勒梅特才證明,這種不可穿透性只是一個遙遠的觀察者會產生的幻覺。利用現在著名的愛麗絲和鮑勃的插圖,物理學家假設,如果當愛麗絲跳進黑洞時鮑勃站著不動,鮑勃會看到愛麗絲的圖像在到達史瓦西半徑之前變慢直到凍結。Lemaitre還指出,在現實中,愛麗絲會跨越這個障礙:鮑勃和愛麗絲只是體驗到事件的不同而已。儘管有這個理論,當時還沒有已知的這麼大的物體,甚至沒有接近黑洞的物體。所以沒有人相信像米歇爾假設的那樣存在類似於暗星的東西。事實上,沒有人敢認真對待這種可能性。直到第二次世界大戰。

黑洞理論簡史,從開始的暗星理論到二戰和曼哈頓計劃

從暗星到黑洞

1939年9月1日,納粹德國軍隊入侵波蘭,引發了一場永遠改變了世界歷史的戰爭。值得注意的是,就在同一天,第一篇關於黑洞的學術論文發表了。兩位美國物理學家J羅伯特奧本海默(J Robert Oppenheimer)和哈特蘭斯奈德(Hartland Snyder)撰寫了一篇關於引力持續收縮的文章,現在廣受好評。這篇文章是黑洞歷史上的一個關鍵點。當你考慮到第二次世界大戰的其他部分在黑洞理論發展中的中心地位時,這個時間似乎特別奇怪。這是奧本海默的第三篇也是最後一篇天體物理學論文。在這篇文章中,他和斯奈德預測了恆星在自身引力場的影響下會持續收縮,從而形成一個具有強大吸引力的天體,甚至連光都無法從它身上逃脫。這是現代黑洞概念的第一個版本,黑洞是一種質量如此之大的天體,只能通過其引力來探測。在1939年,這仍然是一個難以置信的奇怪想法。20年後,這個概念才發展到足以讓物理學家開始接受奧本海默所描述的持續收縮的結果。第二次世界大戰本身在它的發展中發揮了關鍵作用,因為美國政府投資研究原子彈。

黑洞理論簡史,從開始的暗星理論到二戰和曼哈頓計劃

從灰燼中重生

當然,奧本海默不僅僅是黑洞歷史上的一個重要人物。後來,他成為曼哈頓計劃(Manhattan Project)的負責人,這個研究中心後來發展出了原子武器。政治家們明白投資科學以帶來軍事優勢的重要性。因此,在戰爭相關的革命性物理研究、核物理和新技術的開發等方面,得到了廣泛的投資。各種各樣的物理學家都致力於這類研究,其直接結果是,宇宙學和天體物理學領域幾乎被遺忘,包括奧本海默的論文。儘管大規模天文學研究失去了10年的時間,物理學作為一個整體卻因為戰爭而繁榮起來!事實上,軍事物理學最終擴大了天文學,美國把戰爭作為現代物理學的中心。博士的數量直線上升,建立了博士後教育的新傳統。戰爭結束時,對宇宙的研究重新開始。一度被低估的廣義相對論出現了復興。戰爭改變了我們研究物理學的方式:最終,這使得宇宙學和廣義相對論領域得到了應有的承認。這是接受和理解黑洞的基礎。普林斯頓大學後來成為新一代相對論主義者的中心。正是在那裡,核物理學家約翰·A·惠勒(John A Wheeler)第一次接觸了廣義相對論,並重新分析了奧本海默的工作。惠勒後來推廣了“黑洞”這個名字。起初,他持懷疑態度,受到密切相對論者的影響,計算模擬和無線電技術在戰爭期間取得的新進展,使他成為奧本海默在1939年9月1日戰爭爆發那天所作預言的最狂熱追隨者。從那時起,新的性質和類型的黑洞被理論化和發現,但這一切直到2015年才達到頂峰。對黑洞雙星系統中產生的引力波的測量是黑洞存在的第一個具體證明。


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