這個問題，連愛因斯坦和霍金都在尋找答案

編者按：

關于霍金和愛因斯坦，不少讀者可能早早發現了這一巧合：3月14日是霍金是去世日，同時也是愛因斯坦的生日。除開這樣一個巧合，兩位科學巨匠至少都對同一樣東西特別感興趣：黑洞。他們都不滿于科學家關于黑洞最初的理論構想，提出了各自的批評。

以下這篇文章節選自理想國出版的《海灘上的愛因斯坦》，簡要介紹了黑洞如何產生、愛因斯坦和霍金如何看待黑洞，以及當代物理學家如何摸索到了驗證黑洞存在的方法。

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》

自十八世紀末期以來，學者們就在（牛頓理論框架中）研究是否可能存在質量大到足以“保留”自己發出的光的天體。英國人約翰·米歇爾和法國人皮埃爾—西蒙·德·拉普拉斯間隔了幾年時間，分別預測了這種“黑體”應該比太陽大數百倍。

但在1915 年后， 廣義相對論提供了一個新的框架來重新研究這個問題并檢視在高強度引力場中光的行為。

1916 年后，德國物理學家卡爾·史瓦西預言，如果一顆恒星的質量被壓縮到足夠小的體積里，那么它的密度會變得極高，足以使時空幾何變形，沒有任何光可以逃出。

另外，任何經過這顆“黑星”附近的物體都會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），該詞由美國物理學家約翰·惠勒在 1960 年代末期普及。

沒有任何事物能夠阻止物質在黑洞中心坍縮：一切都向著似乎有著無限密度的一點集中，這個點叫奇點（singularité）。這已經是最不驚人的想法了……另外，時空的變形也有了特殊的形態：奇點被一個叫作視界（horizon）的（非物質）平面圍繞，它標明了黑洞的邊界，在這之內什么都不能逃離，甚至是光。視界構成了一條邊界將黑洞與剩下的宇宙分開：在外部，我們不能知道內部發生的任何事情；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。他認為，這不符合物理現實。這更可能是表明理論中有一個缺陷。今天，許多物理學家認為他是正確的。

對“量子效應”的考慮可能說明沒有任何奇點存在，也可以說明輻射可以離開黑洞，或至少——根據霍金提出的一個過程（它引入了量子力學）——給人這樣的印象。最終，嚴格意義上來說的黑洞（如廣義相對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）

這一切都仍是推測并處于大量的研究和討論中。許多物理學家認為只有我們同時考慮到引力效應和量子效應，才能正確描述這樣的結構，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，在幾十年的爭論后，大部分天體物理學家都相信了黑洞的確存在（即便與廣義相對論中預言的天體并不完全一樣）。當然，這樣的天體無法直接觀察。但是天文學家已經確認了一些能夠發射出非常強烈的X 射線的源。這似乎“簽署”了一個（不可見的）恒星級黑洞——與太陽質量同一量級的黑洞（英文stellar-mass black hole）——的存在，它正在吸收自己附近恒星的物質。

最近，這類黑洞的存在以一種驚人的方式（觀測引力波）得到了確認。另外，某些星群呈現出高速且軌道紊亂的運動。將其歸于黑洞引力所致的想法就變得十分誘人（通過簡單的排除法，因為沒有任何其他解釋）。

這么可怕的天體是怎么可能形成的呢？也許是超大恒星（太陽質量的10 倍以上）經歷超新星爆發后的剩余物：恒星核心的坍縮最終形成的物質密度極高，令這個核心不能穩定地成為中子星。沒有什么能阻止它繼續坍縮直到——我們稱為黑洞的狀態。（等同于幾個太陽質量的）“恒星級黑洞”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生的原因。

計算顯示，所涉天體很小：例如，該理論預測，太陽質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。它于是形成了一個直徑僅為6 千米的球體（這是從外部來看；時空的彎曲能夠讓內部尺寸大得多）！

另外，越來越多且越來越有說服力的觀測提出，大型星系（包括我們的銀河系）的中央區域能夠包容“超質量”（幾百萬倍于太陽質量）的巨型黑洞。它們形成的過程還沒有得到完全的了解，但是它們在這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：帶上相對論去度假

?♂? 作者：[法]馬克·拉謝茲-雷伊

翻譯：龔蕾

內容簡介

物理學家、法國國家科學研究中心（CNRS）研究主任拉謝茲-雷伊寫給大家的相對論普及讀本。中科院國家天文臺星云計劃研究員、《星際穿越》譯者李然（狐貍先生）作序推薦。丟掉數學公式，文科生也讀得懂的相對論，20幅精美插畫呈現相對論關鍵概念和實驗，助你輕松脫離日常的時間和空間觀，踏入愛因斯坦的彎曲時空。《海灘上的愛因斯坦》將帶領我們回到20世紀的物理學界，講述以愛因斯坦為首的物理學家們提出、完善和驗證相對論的歷史，還原物理學家們在發現既有的牛頓物理學、伽利略運動學無法解釋一些物理現象時，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、簡潔的相對論。人類對于時間、空間、速度以及引力等基本概念的認知就此改寫。

本文轉載自公眾號“理想國imaginist”