黑洞簡史:一個一戰德軍炮兵中尉的百年預言

一個業外人士的悖論

越是神秘的東西,就越能激起人類的興趣,黑洞便是最好的例子。即便已經公佈了第一張黑洞的照片,但人類對於黑洞也僅僅限於遠觀。

儘管如此,邁出這小小的一步,人類也用了200多年。

“眼見為實”是一種信條,但並不適用於科學領域。科學家們會根據科學規律先預言,再推演,最後再觀測證實。黑洞也是如此。

黑洞簡史:一個一戰德軍炮兵中尉的百年預言

卡文迪許

所有的一切都是從一個地理學家開始的,那就是英國人約翰·米歇爾。這位仁兄雖然不是業內人士,但很有物理學天分,而且他有個物理學家好朋友——亨利·卡文迪許。學理工的同學,大概還記得他用扭秤,測出了引力常量。

1783年,米歇爾給卡文迪許寫了一封信,闡述了一個嶄新的設想:如果一個天體等於太陽的質量,而它的半徑只有3公里,那麼光就無法逃離這個天體表面,所以也就無法被看見。

這是一個悖論,如果看不見,那又如何證實? 這也是我們看到黑洞照片時的困惑。所以,求證的過程充滿了艱辛。

沉寂100多年的預言

很快,有業內大佬跟進——1796年,法國物理學家拉普拉斯預言:一個地球差不多大的發光恆星,如果有250個太陽那麼重,任何光線都無法離開它,所以它發著光,卻不會被我們看見。

米歇爾和拉普拉斯腦洞大開的預言,既看不見,當時又無法用理論證實,誰會去相信這樣的天方夜譚。

這兩個天才的不被理解,持續了100多年。直到另一個絕世天才——愛因斯坦,在1915年提出了著名的“愛因斯坦方程”。

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愛因斯坦

這個方程的厲害之處在於,它能描述物質和能量所導致的時空彎曲。但可惜的是,愛因斯坦認為它只能求得近似解,無法精確。

然後,另一個天才站了出來:“我可以給出精確解”。

一個猶太天才的隕落

這位站出來的天才,就是曾經的猶太“神童”卡爾·史瓦西。

1873年,史瓦西出生在德國一個猶太家庭(和愛因斯坦很像),從小喜歡擺弄望遠鏡,還喜歡出入父親一位教授朋友的天文臺。

然後,史瓦西就開始了他開掛一般的人生,不到16歲,就在《天文學通報》雜誌發表兩篇關於雙星軌道的論文。16歲,進入斯特拉斯堡大學,23歲拿到了博士學位,40歲成為德國科學院院士……

但1914年7月,一戰爆發。41歲的史瓦西竟然參軍了,先是在比利時擔任某氣象站站長,後又到駐法國的德軍炮兵部隊去計算彈道。

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史瓦西

1915年,在寒冷如地獄的俄羅斯,史瓦西被授予炮兵中尉軍銜。最犀利的是,打仗他還不誤研究學術,不僅繼續發表論文,還在愛因斯坦發表方程式僅僅一個月後,就給出了精確解。僅僅20多天後的1915年12月22日,在天寒地凍的俄國前線,史瓦西將論文寄給了愛因斯坦。

愛因斯坦簡直震驚了,沒想到還可以這樣,驚為天人。

隨後,史瓦西又發表了論文,給出了計算黑洞(當時還沒命名為黑洞)視界半徑的公式,這從理論上預言了黑洞的存在。

可惜的是,史瓦西本人信奉“眼見為實”,竟然認為黑洞並不是真實存在的。

更可惜的是,1916年5月,這個天才因為免疫系統疾病去世了……

100多年後的證明

到了1968年,諸多前輩猜測預言的緻密天體,終於有了名字——黑洞(black hole),這是由美國天體物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒命名的,基本概念是:黑洞會吸入所有一切,包括光。光線不能逃脫的臨界半徑被稱為“視界面”,就是視線所能到達的界面。

1970年,美國的“自由”號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座X-1,該星球被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞。

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但認為,還不是看見啊。怎麼破?是這樣的:因為黑洞的存在,周圍時空彎曲,氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中,引力能轉化為光和熱,因此氣體被加熱至數十億度。黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內,事件視界看起來就像陰影,陰影周圍環繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環。

於是,在史瓦西死後100多年,黑洞照片出現後,信奉“眼見為實”的他,終於可以安息了。


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