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黑洞

寻觅黑洞数百年的科学家们

阿胡贾:黑洞照片令人再度钦佩爱因斯坦的广义相对论,但我们也应该缅怀数百年来探究黑洞的其他科学家,从牧师约翰•米歇尔开始。

黑洞是宇宙中不容置疑的“巨头”。这些坍缩的恒星的密度和质量都如此之大,就连光也无法逃脱它们的引力,这使它们不可见。

不用担心了:现在我们能够“看见不可见的东西”。上周三,天文学家们发布了首张黑洞及其周围环境的图像。应该承认,黑洞看起来的确像一个甜甜圈:中心是黑色,外围是轮廓模糊的明亮环状结构。照片上的这个超大质量黑洞,其质量是太阳的60亿倍,位于距离我们5300万光年的Messier 87星系。图像是由yabo88下载 多个高海拔陆基望远镜组成的“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope)网络捕捉的数据编制而成的。

这张照片证实的黑洞“真容”再度为阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)的学术遗产增色——他的广义相对论被证明正确,即便他本人并不相信黑洞从物理上说有可能存在——但它也应该激起我们对约翰•米歇尔(John Michell)的钦佩。早在爱因斯坦出生前,这位18世纪的英格兰牧师就从理论上推断出“暗星”的存在。在一个又一个曾经运用他们非凡的智慧来思考这些极端天体的怪异潜在影响的科学家中,米歇尔是常常被遗忘的第一人。举例来说,这些天体是如此极端,以至于一个落入黑洞的人会经历“面条化”,即在极大的引力作用下被拉得很长很长。

米歇尔出生于1724年,曾就读于剑桥大学(University of Cambridge),他被同时代人描述为一个矮胖的人。令人欣慰的是,这位利兹附近的桑希尔(Thornhill)的牧师也被“尊为一位非常聪明的人,还是一位杰出的哲学家”。他的朋友圈包括发现了氧气、同为牧师/科学家的约瑟夫•普里斯特利(Joseph Priestley),以及发现了氢气的亨利•卡文迪什(Henry Cavendish)。热衷于天文学的米歇尔最初转向艾萨克•牛顿(Isaac Newton)的引力方程式,是为了看看能否利用它们来推算恒星的质量。

他领悟了逃逸速度的概念,即物体逃脱引力场所需达到的速度(发射火箭时通常需要这样的计算)。1783年,米歇尔写了一封信给卡文迪什,称可能存在巨大质量的“暗星”,“一切从这样一种天体发射出的光都会因为其自身的引力而回返”。这样的天体将是不可见的。

除了在1796年独立提出类似概念的皮埃尔-西蒙•拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)以外,暗星(即黑洞,在上世纪60年代被重命名)理论一直停滞不前——直到爱因斯坦在1916年发表广义相对论。爱因斯坦的等式中包含了一种可能性,即存在密度无限大、以至于引力大到连光线也无法逃离的“奇点”。尽管爱因斯坦不相信真的会有奇点存在,卡尔•史瓦西(Karl Schwarzschild)对此萌生了兴趣。这位德国天文学家在同年计算得出,一旦一个恒星坍缩到一定半径,时空就会崩溃。他在不久之后就去世了。

1930年,19岁的苏布拉马尼扬•钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)从印度前往英格兰,一路思考着即将耗尽核燃料的恒星的内部作用力。这样的恒星会在引力作用下收缩到某一点然后停止吗?钱德拉塞卡推算出,质量至少为太阳1.4倍的恒星将会无限坍缩。

依然感到困扰的爱因斯坦在1939年发表了一篇论文,暗示史瓦西的计算有错。此后,战争干扰了研究:曾利用爱因斯坦的理论证明奇点可能形成的美国物理学家罗伯特•奥本海默(Robert Oppenheimer),将研究课题从黑洞转向原子弹。

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