 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：广义相对论与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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