黑洞的发现简史

黑洞的发现之旅

黑洞是宇宙中最致密、也最神奇的天体。为了便于理解,你可以把黑洞想象成宇宙中最恐怖的监狱(见图1)。一旦进入了这个监狱,就连宇宙中跑得最快的光,也休想再逃出去。这恰好符合但丁《神曲》中的名言:入此门者,必当放弃一切希望。

时至今日,黑洞已成为理论物理学和天体物理学最大的热点之一。不过人类认知和发现黑洞的过程,却相当的漫长和曲折。

虽然黑洞这个名词是在20世纪下半夜才提出的,但是早在18世纪末,就已经有两个先知从理论上预言了这种神秘天体的存在。这两个先知,我们在太阳系之旅中都已经见过了,他们就是英国物理学家约翰·米歇尔和法国数学家拉普拉斯。

虽然已经差不多被世人所遗忘(他连一张画像都没能留下来),但是米歇尔的确做出了一些最具开创性的贡献。举个例子,他曾经深入研究过1755年的里斯本大地震,并因此成为了世界上第一个估算出地震波速度的人。再比如说,他率先做出了一套测量牛顿引力常数的实验装置。在他死后,这套装置几经辗转到了卡文迪许的手里;后者对它加以改进,从而完成了著名的卡文迪许扭秤实验。

1783年,米歇尔在英国皇家学会做了一场报告。在这场报告中,他提出了一个惊世骇俗的观点:有可能存在一种引力强到连光也无法从其周围逃逸的天体,也就是所谓的“暗星”。

无独有偶。1796年,大数学家拉普拉斯出版了他的传世巨著《宇宙体系论》。在这本书中,拉普拉斯也指出了存在暗星的可能性。他甚至猜测,宇宙中暗星的数目或许不比恒星的数目少。

随着一个天体质量的不断增大,或者其半径的不断减小,天体表面的逃逸速度将会不断增大。如果这个逃逸速度超过了世界上最快的光速,就没有任何东西能从它的表面逃逸了。换句话说,就连光也会被此天体的引力束缚,而无法跑到远方。这样一来,我们就永远不可能看到这个天体发出的光。很明显,这正是我们之前提到的、连光都能囚禁的太空监狱。这个永远看不到的天体,就是米歇尔和拉普拉斯所说的暗星。

这是一个非常伟大的洞见,超越时代长达100多年。但这个暗星理论提出没多久,就遭到了当头一棒。

要想解释暗星理论遭遇了怎样的打击,我们需要先介绍一个困扰人类好几百年的超级难题:光到底是什么东西?

为了解释光的本性,历史上曾经出现过两大学派:其中一派是以牛顿为代表的粒子说,认为光由某种坚硬的粒子构成;另一派是以惠更斯为代表的波动说,认为光是某种介质的波动。在整个17世纪,由于牛顿的巨大威望,光的粒子说占据了上风。正是基于光的粒子说,米歇尔和拉普拉斯才把逃逸速度和光速联系在一起,进而提出了暗星理论。

但在19世纪初,有人做了一个实验,把原本高高在上的粒子说打入了万丈深渊。此人就是英国著名物理学家托马斯·杨。

说托马斯·杨是物理学家,其实是并不准确。因为除了物理,他一生中涉猎过的领域还包括医学、化学、材料学、工程学、语言学和考古学;更厉害的是,他在自己涉猎过的所有领域都达到了相当专业的水准。此外,他也特别擅长演奏乐器和表演杂技。由于他惊人的全能,后人给他起了一个响亮的绰号:最后一个无所不知的人。

当然,他对后世最大的贡献还是做了一个物理实验,那就是著名的杨氏双缝实验。这个实验很简单,图3就是它的原理图。让一束光,从左到右先通过一个有一条狭缝的挡板S1,再通过一个有两条狭缝的挡板S2,最后照到一个接受屏F上。从理论上讲,如果光真由粒子构成,由于中间那两条狭缝的遮挡,右边的接受屏上将只会出现两条狭缝形状的亮线。不过在实际做实验的时候,托马斯·杨发现在被挡板遮住的区域内,同样出现了很多明暗相间的条纹。换句话说,光并非一直走直线,而在行进的过程中发生了拐弯。这就不是粒子能做到的事了,必须是波才可以。换言之,杨氏双缝实验发现了一个只能用波动说、而不能用粒子说来解释的现象。正因为如此,这个实验敲响了粒子说的丧钟。

这对暗星理论而言也是一个大噩耗。因为引力只能作用在光粒子上,而无法作用于光波。

托马斯·杨发现光是一种波的时候,米歇尔已经去世了,不过拉普拉斯依然健在。值得一提的是,拉普拉斯对此的反应相当迅速。在1808年,他对《宇宙体系论》进行了再版,并且删掉了所有关于暗星的内容。这个如同先知一般、超越时代100多年的理论,就这样受到了世人的冷遇和遗忘。

有意思的是,这个故事后来发生了反转。在20世纪初,德国大物理学家普朗克和爱因斯坦发现,同样存在必须用粒子说、而不能用波动说解释的现象。换言之,光其实既是一种粒子,又是一种波,这就是所谓的波粒二象性。顺便说一句,这个发现打开了人类通往量子世界的大门。

尽管悬在头顶的“紧箍咒”已经不复存在,但此时的暗星理论早已被遗忘在历史的垃圾堆里。直到1915年底,一个趴在一战战壕里、已经命不久矣的德国人,才让它重见天日。此人就是德国著名天文学家卡尔·史瓦西。

1873年10月9日,史瓦西出生在德国法兰克福的一个犹太家庭。他是一个神童,16岁就发表了两篇关于双星系统运动轨道的论文。此后,他的人生之路一直是一马平川。22岁,他获得慕尼黑大学博士学位;28岁,他成为哥廷根大学教授;35岁,他当上波茨坦天文台台长;38岁,他被选为德国科学院院士。

但在40岁那年,史瓦西的人生却发生了重大的转折。1914年7月28日,第一次世界大战爆发。史瓦西随即做出了一个惊人的决定:投笔从戎。他辞掉了波茨坦天文台台长的职位,加入了德国军队。此后一年的时间,他在东西战线来回奔波,并晋升为炮兵中尉。

尽管置身于危机四伏、朝不保夕的世界大战中,史瓦西依然心系科研,一直坚持阅读《德国科学院院刊》。1915年12月,他注意到院刊上的一篇文章提出了一个全新的理论,那就是爱因斯坦的广义相对论。

一个大质量的物体(例如太阳)能把它周围的时空压弯,就像一个大铁球能把弹簧床压弯一样。此时若有一个小质量的物体(例如地球)从旁边经过,其运动轨迹就会因为时空的弯曲而发生改变。爱因斯坦指出,这种时空弯曲对周边物体的影响,其实就是引力。这意味着,时空弯曲就是万有引力之源。这就是爱因斯坦引力(即广义相对论)最核心的思想。

广义相对论有一个最核心的方程,叫爱因斯坦引力场方程。这里我不讨论此方程的细节,只介绍其中几个最关键的要点:

1. 此方程的左边描述了一个时空区域的几何特征,而右边描述了此时空区域中包含的物质。两者相等,意味着时空和物质能够相互影响。用美国著名物理学家约翰·惠勒的话说,就是“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质怎么运动。”

2. 在引力比较弱的时候,爱因斯坦引力场方程与牛顿的万有引力定律完全等价;而在引力比较强的时候,两者才有细微的差别。也就是说,广义相对论既有对牛顿引力理论的超越,又有对牛顿引力理论的继承。

3. 此方程非常复杂。爱因斯坦本人也无法找到它的精确解。

但史瓦西的数学功底可比爱因斯坦强多了。他趴在德国东线的战壕里,只花了几天的时间,就快刀斩乱麻地找到了爱因斯坦引力场方程的一个精确解,那就是著名的史瓦西解。简单地说,史瓦西解描述了一个有质量、无转动、无电荷的球对称天体,其周围的时空具有怎样的几何特征。

基于这个史瓦西解,史瓦西又发现了一件意义重大的事情。如果一个质量为M的球形天体,收缩到一个特定的范围以内,光就无法再从它的表面逃逸。换句话说,如果一个球形天体的半径小于一个特定的数值,它就会变成一个连光也跑不出去的太空监狱。

这个特定的数值就是所谓的史瓦西半径,其大小为R=2GM/c^2。其中牛顿引力常数G=6.674×10^{-11} N·kg^{-2}·m^2,而光速c=2.998×10^{8}·m/s。如果把太阳的质量(即1.989×10^{30}kg)带入此公式,可以算出太阳的史瓦西半径约为2954米;如果把地球的质量(即5.972×10^{24}kg)带入此公式,可以算出地球的史瓦西半径约为8.869毫米。也就是说,如果太阳的半径缩小到2954米,或者地球的半径缩小到8.869毫米,就会变成连光都能囚禁的恐怖监狱。

做出这个一生中最著名的发现之后没多久,史瓦西就被病魔击倒了。他得了一种非常严重的皮肤病,不到半年就去世了。德国天文学界20世纪最大的巨星,就此化为了一颗匆匆划破天际的流星。

史瓦西的发现让沉寂了100多年的暗星理论得以复活。一个天体要是坍缩到史瓦西半径以内,就会变成一颗永远也看不到的暗星。但是有两个在天文学史上举足轻重的大人物,坚决反对这样的可能性。他们就是我们已经非常熟悉的、广义相对论最大的权威爱因斯坦和爱丁顿。

坦率地讲,爱因斯坦和爱丁顿的反对是非理性的。他们认为,史瓦西解只是一场纯粹的数学游戏;在真实的物理世界中,根本不存在半径小于史瓦西半径的天体。按照爱丁顿的说法,一定存在某种机制,阻止天体塌缩到史瓦西半径以内。由于爱因斯坦和爱丁顿的巨大威望,很长一段时间,这种看法都是天文学界的主流。

20世纪30年代初,钱德拉塞卡发现一旦白矮星的质量超过太阳质量的1.44倍(即钱德拉塞卡极限),其内部的电子简并压就无法再抗衡引力,从而导致白矮星继续塌缩下去。这个发现,直接动摇了爱丁顿看似和谐的恒星世界的基石。

1934年,巴德和兹威基从理论上提出了一种全新的天体,那就是比白矮星更致密、能靠中子简并压对抗引力的中子星。

1939年,奥本海默和他的学生指出,中子星也存在一个质量上限,那就是所谓的奥本海默极限(最新研究表明,此极限应该是太阳质量的2.2倍)。一旦超过这个极限,中子简并压也无法再抗衡引力,从而让中子星也继续塌缩下去。

1967年,乔瑟琳·贝尔又首次发现了高速自转的中子星的存在证据。这一系列的天文发现让天文学家们开始认真思考,会不会有恒星真的塌缩到史瓦西半径以内,从而变成了一座连光也无法逃离的太空监狱。

前面提到,米歇尔和拉普拉斯管这种太空监狱叫“暗星”。而在20世纪中叶,天文学界则称它为“引力完全塌缩天体”。不过,这两个名字都不够理想:前者不够清晰,而后者又过于拗口。给这种取了一个好名字的人,是美国著名物理学家约翰·惠勒。

惠勒是普林斯顿大学物理系的传奇教授,一生中培养了46个博士,其中包括两个诺贝尔奖得主(理查德·费曼和基普·索恩)。在1967年底的一次学术会议上,惠勒首次把这种连光都逃不出去的太空监狱称为“黑洞”。这个名字,很快就以它的简洁和神秘,得到了世界各国天文学家的认可。只有一个国家例外。很长一段时间,法国天文学界死活不肯接受这个名字。原因是,他们觉得黑洞这个名字过于色情。

有了名字以后,黑洞的研究变得越来越热门,最终成为了天文学最大的热点之一。人们利用理论物理的工具(即广义相对论和量子力学),对黑洞进行了大量的研究,而这些研究后来又极大地促进了理论物理(即量子引力)的发展。不过,再多的理论研究也不能取代实际的天文观测。在很长一段时间内人们依然不能确定,黑洞是否真的存在。

最早打开突破口的,就是天鹅座X-1。基于X射线波段的观测,贾科尼的团队在1964年发现了天鹅座X-1。1970年,他们又用X射线卫星做了进一步的观测,并确认它是一颗蓝超巨星。但很快地,人们就注意到了这颗蓝超巨星的不同寻常之处。

像太阳这样没有伴星的单独的恒星,只会绕银河系中心旋转,而不会再做其他的运动。但天鹅座X-1的这颗蓝超巨星不同。除了绕银河系中心旋转以外,它本身也在沿一个椭圆轨道(其长半轴为1/5个天文单位,即3000万千米)不断打转。对这种现象的解释只有一个:这颗蓝超巨星还有一颗看不见的伴星。

不仅如此,通过研究天鹅座X-1的这颗蓝超巨星的运动轨迹,天文学家们惊讶地发现其伴星的质量应该在太阳质量的10倍以上。也就是说,天鹅座X-1的双星系统中,存在着一个完全看不见、而且质量远远超过奥本海默极限的神秘天体。很自然地,人们就开始怀疑它到底是不是一个黑洞。

1975年,霍金和基普·索恩为天鹅座X-1到底是不是黑洞打了一个赌。索恩认为是,而霍金认为不是。

其实对霍金而言,这是一个典型的对冲风险的赌局。他其实希望天鹅座X-1是一个黑洞。因为他的前半生一直在研究黑洞,如果黑洞最后被证伪,他前半生所有的心血都会付之东流。所以,他干脆反向下注。如果黑洞得到证实,他前半生的心血就不会白费;如果黑洞惨遭证伪,他还可以让索恩给他买4年的《私家侦探》杂志,以此作为安慰。

结果到了20世纪90年代,天鹅座X-1是黑洞的证据变得越来越确凿。人们以相当高的精度测出,天鹅座X-1中的那颗不可见伴星的质量,能达到太阳质量的14.8倍。除了黑洞以外,根本无法解释质量如此之大的不可见天体的存在。因此,霍金承认他输了这场打赌,并按照约定,给索恩买了1年的名为《藏春阁》的成人杂志。

最后,做一个总结。18世纪末,基于光的粒子说,米歇尔和拉普拉斯把逃逸速度和光速联系在了一起,提出了超越时代上百年的暗星理论;这个理论认为,宇宙中存在着一种名叫暗星的天体,它连跑得最快的光都能囚禁。

但在19世纪初,由于杨氏双缝实验导致了粒子说的全面溃败,这个暗星理论也被打入了冷宫。

一个世纪以后,故事发生了反转。1915年底,史瓦西找到了爱因斯坦引力场方程的第一个精确解,进而发现所有塌缩到史瓦西半径以内的天体都会变成连光也逃不出的太空监狱。这个观点遭到了广义相对论最大的权威爱因斯坦和爱丁顿的坚决反对。

不过随着钱德拉塞卡极限和奥本海默极限的提出,以及高速自转的中子星的发现,越来越多的天文学家开始认真对待存在这种太空监狱的可能性。

1967年,惠勒把这种神秘的太空监狱命名为黑洞。此后,黑洞的研究进入了快车道。

20世纪70年代初,人们发现天鹅座X-1中存在着一颗质量极大、又完全看不见的伴星。

到了20世纪90年代,人们以很高的精度,测出这颗不可见伴星的质量能达到太阳质量的14.8倍。这让霍金输掉了他与索恩的打赌,也让天鹅座X-1成为了人们确认发现的第一个黑洞。

2019年4月10日,视界面望远镜(ETH)发布人类首张黑洞照片,我们有幸成为了有史以来第一批“看见”黑洞的人。

本文作者为:王爽,首发于微博账号:王爽_宇宙奥德赛

来源:BioWorld 2019-04-10返回搜狐,查看更多

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