使網路閱讀成為最高樂趣。

愛因斯坦為何拒絕黑洞,而物理學家為什麼喜歡研究黑洞?


動物趣談年月日,有史以來第一張黑洞照片(橢圓星系M核心黑洞)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...

- 2020年9月25日17時15分
- 科學文摘 / 動物趣談

動物趣談

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逕庭。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。

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?

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,做了一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版里,提出了相同的預言。

爭論:光革命帶來的認知顛覆

Thomas Young

然而1808年,托馬斯·楊(Thomas Young)發現了光的雙縫干涉現象,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。暗星概念隨之沉寂,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

廣義相對論發表後,不到一年。1916年,米歇爾和拉普拉斯的暗星預言,經一位德國炮兵校尉:史瓦西(Karl Schwarzschild)之手,以一種更加古怪的方式呈現在了物理學界。

當時,還在俄國前線戰壕蹲坑的史瓦西,以一種簡潔有效的方式:拋棄天體複雜的旋轉問題,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,空間的捲曲意味著光無法逃離,時間的捲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,愛因斯坦卻不認為自然界存在「史瓦西奇點」,畢竟沒有什麼天體是不旋轉的。再加上對恆星塌縮的不了解,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一篇廣義相對論的計算文章,以解釋自然界為什麼不可能存在「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,物理學家們有一種傾向性觀念:一個天體能得以存在,必須內力與外力平衡。然而事實卻是內力是可以捨棄的。

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一定能得到正確的答案。

認知:黑洞架起了廣義相對論與量子力學的橋樑

從20世紀20年代到50年代,物理學家對「史瓦西奇點」的研究,實際上都只在針對一個問題: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一步的發現,支持黑洞存在的證據開始壓到一切質疑。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」,即在黑洞事件視介面積在順時方向永不減小。這意味著黑洞只能合併,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,一個虛粒子掉進黑洞,另一個成功逃跑,進而轉變為一個實粒子。

這在遠處的觀察者看來,就像黑洞在輻射一樣。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。

一個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一天會消失,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牆悖論。

至今,如何處理這些悖論依舊是一個謎。

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一直持有「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裡,物理學家似乎找到了使20世紀物理學最偉大的兩個成就:廣義相對論與量子力學結合的可能性。

為了觸及「萬物之理」的物理聖杯(即一個單一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一步。


延伸閱讀

建業華誼兄弟電影小鎮新晉國家4A級景區,您去了沒

夏日長白山旅遊,別只知道天池,這幾個景點也別錯過

北戴河鴿子窩公園遊玩攻略

中國旅遊日之看景區:快來九江長水景區呼吸負氧離子

數說吉林:紅色旅遊持續升溫


熱門內容

電子書選