編者按：

關(guān)于霍金和愛因斯坦，不少讀者可能早早發(fā)現(xiàn)了這一巧合：3月14日是霍金是去世日，同時(shí)也是愛因斯坦的生日。除開這樣一個(gè)巧合，兩位科學(xué)巨匠至少都對(duì)同一樣?xùn)|西特別感興趣：黑洞。他們都不滿于科學(xué)家關(guān)于黑洞最初的理論構(gòu)想，提出了各自的批評(píng)。

以下這篇文章節(jié)選自理想國(guó)出版的《海灘上的愛因斯坦》，簡(jiǎn)要介紹了黑洞如何產(chǎn)生、愛因斯坦和霍金如何看待黑洞，以及當(dāng)代物理學(xué)家如何摸索到了驗(yàn)證黑洞存在的方法。

黑洞，極端天體

[法] 馬克·拉謝茲-雷伊

譯者: 龔蕾

選自《海灘上愛因斯坦》

自十八世紀(jì)末期以來，學(xué)者們就在（牛頓理論框架中）研究是否可能存在質(zhì)量大到足以“保留”自己發(fā)出的光的天體。英國(guó)人約翰·米歇爾和法國(guó)人皮埃爾—西蒙·德·拉普拉斯間隔了幾年時(shí)間，分別預(yù)測(cè)了這種“黑體”應(yīng)該比太陽大數(shù)百倍。

但在1915 年后， 廣義相對(duì)論提供了一個(gè)新的框架來重新研究這個(gè)問題并檢視在高強(qiáng)度引力場(chǎng)中光的行為。

1916 年后，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·史瓦西預(yù)言，如果一顆恒星的質(zhì)量被壓縮到足夠小的體積里，那么它的密度會(huì)變得極高，足以使時(shí)空幾何變形，沒有任何光可以逃出。

另外，任何經(jīng)過這顆“黑星”附近的物體都會(huì)無法挽回地被其高密度重力吸引并墜入其中，沒有絲毫逃出的希望。這也是為什么這類無法直接看到的天體被稱為黑洞（trou noir），該詞由美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒在 1960 年代末期普及。

沒有任何事物能夠阻止物質(zhì)在黑洞中心坍縮：一切都向著似乎有著無限密度的一點(diǎn)集中，這個(gè)點(diǎn)叫奇點(diǎn)（singularité）。這已經(jīng)是最不驚人的想法了……另外，時(shí)空的變形也有了特殊的形態(tài)：奇點(diǎn)被一個(gè)叫作視界（horizon）的（非物質(zhì)）平面圍繞，它標(biāo)明了黑洞的邊界，在這之內(nèi)什么都不能逃離，甚至是光。視界構(gòu)成了一條邊界將黑洞與剩下的宇宙分開：在外部，我們不能知道內(nèi)部發(fā)生的任何事情；一旦穿越了視界，就再也不能重新出來……

愛因斯坦不喜歡物理量能夠趨于無限（例如黑洞里的密度）的想法。他認(rèn)為，這不符合物理現(xiàn)實(shí)。這更可能是表明理論中有一個(gè)缺陷。今天，許多物理學(xué)家認(rèn)為他是正確的。

對(duì)“量子效應(yīng)”的考慮可能說明沒有任何奇點(diǎn)存在，也可以說明輻射可以離開黑洞，或至少——根據(jù)霍金提出的一個(gè)過程（它引入了量子力學(xué)）——給人這樣的印象。最終，嚴(yán)格意義上來說的黑洞（如廣義相對(duì)論中確切描寫的黑洞）不可能存在。

愛因斯坦（左），斯蒂芬·霍金（右）

這一切都仍是推測(cè)并處于大量的研究和討論中。許多物理學(xué)家認(rèn)為只有我們同時(shí)考慮到引力效應(yīng)和量子效應(yīng)，才能正確描述這樣的結(jié)構(gòu)，也許可以通過量子引力理論的方式。不幸的是，我們還沒有這樣的理論……

然而，在幾十年的爭(zhēng)論后，大部分天體物理學(xué)家都相信了黑洞的確存在（即便與廣義相對(duì)論中預(yù)言的天體并不完全一樣）。當(dāng)然，這樣的天體無法直接觀察。但是天文學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)了一些能夠發(fā)射出非常強(qiáng)烈的X 射線的源。這似乎“簽署”了一個(gè)（不可見的）恒星級(jí)黑洞——與太陽質(zhì)量同一量級(jí)的黑洞（英文stellar-mass black hole）——的存在，它正在吸收自己附近恒星的物質(zhì)。

最近，這類黑洞的存在以一種驚人的方式（觀測(cè)引力波）得到了確認(rèn)。另外，某些星群呈現(xiàn)出高速且軌道紊亂的運(yùn)動(dòng)。將其歸于黑洞引力所致的想法就變得十分誘人（通過簡(jiǎn)單的排除法，因?yàn)闆]有任何其他解釋）。

這么可怕的天體是怎么可能形成的呢？也許是超大恒星（太陽質(zhì)量的10 倍以上）經(jīng)歷超新星爆發(fā)后的剩余物：恒星核心的坍縮最終形成的物質(zhì)密度極高，令這個(gè)核心不能穩(wěn)定地成為中子星。沒有什么能阻止它繼續(xù)坍縮直到——我們稱為黑洞的狀態(tài)。（等同于幾個(gè)太陽質(zhì)量的）“恒星級(jí)黑洞”就是這樣形成的。它們也許大量存在于銀河系中并且可能是前文中提到的高能輻射產(chǎn)生的原因。

計(jì)算顯示，所涉天體很小：例如，該理論預(yù)測(cè)，太陽質(zhì)量大小的黑洞的視界理論上只位于離其中心3 千米的地方。它于是形成了一個(gè)直徑僅為6 千米的球體（這是從外部來看；時(shí)空的彎曲能夠讓內(nèi)部尺寸大得多）！

另外，越來越多且越來越有說服力的觀測(cè)提出，大型星系（包括我們的銀河系）的中央?yún)^(qū)域能夠包容“超質(zhì)量”（幾百萬倍于太陽質(zhì)量）的巨型黑洞。它們形成的過程還沒有得到完全的了解，但是它們?cè)谶@些星系的形成和演變中也許扮演了重要的角色。

書名：海灘上的愛因斯坦：帶上相對(duì)論去度假

?♂? 作者：[法]馬克·拉謝茲-雷伊

翻譯：龔蕾

內(nèi)容簡(jiǎn)介

物理學(xué)家、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）研究主任拉謝茲-雷伊寫給大家的相對(duì)論普及讀本。中科院國(guó)家天文臺(tái)星云計(jì)劃研究員、《星際穿越》譯者李然（狐貍先生）作序推薦。丟掉數(shù)學(xué)公式，文科生也讀得懂的相對(duì)論，20幅精美插畫呈現(xiàn)相對(duì)論關(guān)鍵概念和實(shí)驗(yàn)，助你輕松脫離日常的時(shí)間和空間觀，踏入愛因斯坦的彎曲時(shí)空。《海灘上的愛因斯坦》將帶領(lǐng)我們回到20世紀(jì)的物理學(xué)界，講述以愛因斯坦為首的物理學(xué)家們提出、完善和驗(yàn)證相對(duì)論的歷史，還原物理學(xué)家們?cè)诎l(fā)現(xiàn)既有的牛頓物理學(xué)、伽利略運(yùn)動(dòng)學(xué)無法解釋一些物理現(xiàn)象時(shí)，如何提出種種新的解釋，最后怎樣不可避免地跨出革命性的一步，走向更加精妙、簡(jiǎn)潔的相對(duì)論。人類對(duì)于時(shí)間、空間、速度以及引力等基本概念的認(rèn)知就此改寫。

本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“理想國(guó)imaginist”