黑洞简史:一个一战德军炮兵中尉的百年预言

一个业外人士的悖论

越是神秘的东西,就越能激起人类的兴趣,黑洞便是最好的例子。即便已经公布了第一张黑洞的照片,但人类对于黑洞也仅仅限于远观。

尽管如此,迈出这小小的一步,人类也用了200多年。

“眼见为实”是一种信条,但并不适用于科学领域。科学家们会根据科学规律先预言,再推演,最后再观测证实。黑洞也是如此。

黑洞简史:一个一战德军炮兵中尉的百年预言

卡文迪许

所有的一切都是从一个地理学家开始的,那就是英国人约翰·米歇尔。这位仁兄虽然不是业内人士,但很有物理学天分,而且他有个物理学家好朋友——亨利·卡文迪许。学理工的同学,大概还记得他用扭秤,测出了引力常量。

1783年,米歇尔给卡文迪许写了一封信,阐述了一个崭新的设想:如果一个天体等于太阳的质量,而它的半径只有3公里,那么光就无法逃离这个天体表面,所以也就无法被看见。

这是一个悖论,如果看不见,那又如何证实? 这也是我们看到黑洞照片时的困惑。所以,求证的过程充满了艰辛。

沉寂100多年的预言

很快,有业内大佬跟进——1796年,法国物理学家拉普拉斯预言:一个地球差不多大的发光恒星,如果有250个太阳那么重,任何光线都无法离开它,所以它发着光,却不会被我们看见。

米歇尔和拉普拉斯脑洞大开的预言,既看不见,当时又无法用理论证实,谁会去相信这样的天方夜谭。

这两个天才的不被理解,持续了100多年。直到另一个绝世天才——爱因斯坦,在1915年提出了著名的“爱因斯坦方程”。

黑洞简史:一个一战德军炮兵中尉的百年预言

爱因斯坦

这个方程的厉害之处在于,它能描述物质和能量所导致的时空弯曲。但可惜的是,爱因斯坦认为它只能求得近似解,无法精确。

然后,另一个天才站了出来:“我可以给出精确解”。

一个犹太天才的陨落

这位站出来的天才,就是曾经的犹太“神童”卡尔·史瓦西。

1873年,史瓦西出生在德国一个犹太家庭(和爱因斯坦很像),从小喜欢摆弄望远镜,还喜欢出入父亲一位教授朋友的天文台。

然后,史瓦西就开始了他开挂一般的人生,不到16岁,就在《天文学通报》杂志发表两篇关于双星轨道的论文。16岁,进入斯特拉斯堡大学,23岁拿到了博士学位,40岁成为德国科学院院士……

但1914年7月,一战爆发。41岁的史瓦西竟然参军了,先是在比利时担任某气象站站长,后又到驻法国的德军炮兵部队去计算弹道。

黑洞简史:一个一战德军炮兵中尉的百年预言

史瓦西

1915年,在寒冷如地狱的俄罗斯,史瓦西被授予炮兵中尉军衔。最犀利的是,打仗他还不误研究学术,不仅继续发表论文,还在爱因斯坦发表方程式仅仅一个月后,就给出了精确解。仅仅20多天后的1915年12月22日,在天寒地冻的俄国前线,史瓦西将论文寄给了爱因斯坦。

爱因斯坦简直震惊了,没想到还可以这样,惊为天人。

随后,史瓦西又发表了论文,给出了计算黑洞(当时还没命名为黑洞)视界半径的公式,这从理论上预言了黑洞的存在。

可惜的是,史瓦西本人信奉“眼见为实”,竟然认为黑洞并不是真实存在的。

更可惜的是,1916年5月,这个天才因为免疫系统疾病去世了……

100多年后的证明

到了1968年,诸多前辈猜测预言的致密天体,终于有了名字——黑洞(black hole),这是由美国天体物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名的,基本概念是:黑洞会吸入所有一切,包括光。光线不能逃脱的临界半径被称为“视界面”,就是视线所能到达的界面。

1970年,美国的“自由”号人造卫星发现了与其他射线源不同的天鹅座X-1,该星球被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞。

黑洞简史:一个一战德军炮兵中尉的百年预言

但认为,还不是看见啊。怎么破?是这样的:因为黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因此气体被加热至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,事件视界看起来就像阴影,阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。

于是,在史瓦西死后100多年,黑洞照片出现后,信奉“眼见为实”的他,终于可以安息了。


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