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爱因斯坦为何拒绝黑洞,而物理学家为什么喜欢研究黑洞?

2020-07-04

2019年4月10日,有史以来第一张黑洞照片(椭圆星系M87核心黑洞)

爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞,但爱因斯坦曾拒绝这个预言。

那时,“黑洞”之名还未崛起,被称为“史瓦西奇点”的它,与如今的声名赫赫大相径庭。爱因斯坦、爱丁顿等广义相对论大牛都视其为200多年前“暗星”的一种虚妄延续。

从1783年的猜测,到1916年至1960年的争论,物理学家实际都在讨论黑洞是否存在这个问题。

在激烈的讨论中,黑洞逐渐建立起了其宇宙咖位,即便在这几百年间遭遇了太多的误解,但依旧保持风度地走进了当今物理学家的视野,并越发深入人心。

从初识,到相知,我们对黑洞到底有过那些误解?而如今我们又是如何看待它的呢?

起源:星辰大海中的幽冥之思

1783年,一个英国人在假想的星球上向天空开了一炮,炮弹出堂速度为30万公里/秒……

John Michell

这个人是英国自然哲学家米歇尔(John Michell),他大胆将当时盛行的光粒子说与牛顿的引力定律进行了结合,做了一个光炮弹的思想实验。

那时人们已经知道,虽然我们都被引力束缚在地球上,但只要速度足够大就可以摆脱地球的引力束缚。能摆脱这种束缚的最小初速度,称为“逃逸速度”。在地球表面,这个速度为11.2公里/秒。

反过来说,如果速度达不到逃逸速度,物体都会被引力拽下来。

米歇尔用牛顿的引力定律,证明了一个天体逃逸速度的平方与其质量成正比,与其半径成反比。质量不变半径越小,天体的逃逸速度就越大。

如果能压缩一个星球的半径,逃逸速度就可以超过30万公里/秒,这意味着这个星球让光都无法逃逸。在这样的星球上,米歇尔的光炮弹永远无法飞向太空。

以地球为例,只需将其压缩到半径仅1/3英寸,一颗巧克力豆大小,就会产生这样的效果。

这样高密度的星球可能吗?米歇尔认为可能,他甚至觉得夜空中存在着大量这样看不见的幽冥星球,并称呼它们为“暗星”,这就是最早、最原始的黑洞概念。

1783年11月27日,米歇尔向皇家学会汇报了关于暗星的预言。13年后,法国自然哲学家拉普拉斯(Pierre Simon Laplace)才在他的名著《宇宙体系论》的第1版里,提出了相同的预言。

争论:光革命带来的认知颠覆

Thomas Young

然而1808年,托马斯·杨(Thomas Young)发现了光的,让当时光学“波粒之争”的天平倾向了惠更斯(Christiann Huygens)提出的波动说。牛顿光粒子说的主流地位由光波动说所代替。

像炮弹一样受引力影响的光粒子变成了似乎不会受引力影响的光波(那时的人们还不知道引力会对光波产生怎样的作用)。大概因为这个原因,拉普拉斯的《宇宙体系论》从第3版开始删除了有关暗星的描述。暗星概念随之沉寂,无人问津。

直到100年后,爱因斯坦平衡了光学的理论天平,终结了光的“波粒之争”,发展出了光的“波粒二象性”。

1915年11月,广义相对论更是横空出世,让物理学家再次建立起了引力对光作用的认知,只是这一次是以“时空曲率”的概念。引力是时空曲率的直观感受,而光与一切物体在不受外力的情况下,必定在时空中以“短程线”运动。

所谓的“短程线”,可以说是时空中真正的最短路径,而日常说的“直线”更多是一种感官定义。

Karl Schwarzschild

广义相对论发表后,不到一年。1916年,米歇尔和拉普拉斯的暗星预言,经一位德国炮兵校尉:史瓦西(Karl Schwarzschild)之手,以一种更加古怪的方式呈现在了物理学界。

当时,还在俄国前线战壕蹲坑的史瓦西,以一种简洁有效的方式:抛弃天体复杂的旋转问题,根据广义相对论的场方程,计算出了任意无旋转球状天体内外的时空曲率,并得出了一个描述黑洞的精确解。

以光速为逃逸速度,任何天体都有一个以史瓦西半径,这也刚好对应米歇尔和拉普拉斯计算出的暗星临界周长。不过因为有“时空曲率”概念的加持,空间的卷曲意味着光无法逃离,时间的卷曲还意味着时间流速的减慢(时间膨胀效应)。

然而,爱因斯坦对“天体被压缩到史瓦西半径之后”会塌缩为一个奇点的观点却皱起了眉头。

反驳:爱因斯坦的拒绝

在欣赏史瓦西计算出的天体时空曲率的同时,爱因斯坦却不认为自然界存在“史瓦西奇点”,毕竟没有什么天体是不旋转的。再加上对恒星塌缩的不了解,爱因斯坦武断拒绝了广义相对论的这个理性财产。

1939年,爱因斯坦甚至还专门发表了一篇广义相对论的计算文章,以解释自然界为什么不可能存在“史瓦西奇点”。

他假想了一个靠着引力吸引而聚集在一起的运动粒子集团,然后通过计算证明了当这个集合越来越紧密时,球面上的引力就会增强,而在球面上运动的粒子为了产生足够的离心力,就必须运动地更快。

然而,当这个集团小于1.5倍临界周长时,引力会变得非常巨大,表面上的粒子就不得不超过光速。所以粒子集团不可能小于1.5倍临界值。

甚至爱因斯坦还计算了天体内部压力,得出当一个天体的周长被压缩到1.125倍临界周长时,中心的压力就会成为无限大,但无限大的压力不可能存在。所以天体也就不可能小于1.125倍临界周长。

爱因斯坦的计算是正确的,但他的理解却错了。这是因为在那个时代,物理学家们有一种倾向性观念:一个天体能得以存在,必须内力与外力平衡。然而事实却是内力是可以舍弃的。

在这次认知黑洞的战役中,曾帮助爱因斯坦洞察引力的直觉,却阻碍了他对黑洞的洞察。由此可知,正确的结果有时并不一定能得到正确的答案。

认知:黑洞架起了广义相对论与量子力学的桥梁

从20世纪20年代到50年代,物理学家对“史瓦西奇点”的研究,实际上都只在针对一个问题:自然界允许存在这种物体吗?

直到60年代后期,数学家克尔计算出了旋转黑洞的精确解,天文学界在黑洞观测上也有了进一步的发现,支持黑洞存在的证据开始压到一切质疑。1967年,“黑洞”这个名字正式被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)叫响。大多数物理学家才开始认真面对黑洞。

60年代以前,人们主要都是利用广义相对论研究。这个时代黑洞物理学研究的主要成就,属于黑洞的经典理论。

如1967年,由沃纳·以色列(Werner Israel)证明的“无毛定理”,该定理规定事件视界必须是完全平滑的,以此定理还可推导出黑洞在宏观上只由质量、角动量、电荷三个物理量决定,进阶为“三毛定理”

以及1971年,霍金证明的黑洞“面积定理”,即在黑洞事件视界面积在顺时方向永不减小。这意味着黑洞只能合并,绝对无法分裂。当时霍金还根据经典理论证明了黑洞的温度是绝对零度,不过这后来被他自己又证伪了。

60年代后,黑洞开始了全新的热力学方向的研究。

在以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)的黑洞熵概念的启发下,1974年霍金提出了“霍金辐射”,即由于真空涨落,在黑洞附近产生的虚粒子对,有可能被事件视界分开,一个虚粒子掉进黑洞,另一个成功逃跑,进而转变为一个实粒子。

这在远处的观察者看来,就像黑洞在辐射一样。而且由于黑洞内外时空结构的不同,掉进去的大多是负粒子,所以黑洞会由于霍金辐射而失去质量。辐射也意味着黑洞有温度。

一个5倍太阳质量的黑洞,理论温度约10^-7K,不吃不喝也需要10^62年才会消失殆尽。黑洞的温度与质量成反比,所以黑洞质量越小,辐射越强,温度越高,寿命也越短。

霍金辐射的出现,可以说开启了黑洞量子领域的研究。黑洞会蒸发,意味着它吃进去的信息总有一天会消失,这是量子力学不允许的,为了对抗黑洞信息悖论,出现了互补原理全息原理,进而又引出了黑洞火墙悖论

至今,如何处理这些悖论依旧是一个谜。


总之,诞生于广义相对论的黑洞,其具体的特性却需要量子力学来描述,而爱因斯坦对量子力学一直持有“不完备”的质疑,或许这也是他对黑洞产生原始抗拒的由来。

然而正因如此,物理学家越来越着迷于黑洞,因为在黑洞研究的领域里,物理学家似乎找到了使20世纪物理学最伟大的两个成就:广义相对论量子力学结合的可能性。

为了触及“万物之理”的物理圣杯(即一个单一理论解释所有物理现象),深层次认知黑洞就成为了至关重要的一步。

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