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17世纪到近代的黑洞研究

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发表于 2022-1-9 11:54:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
1783年,英国天文学家约翰米歇尔(john Michell)第一个想到:如果一颗 恒星变得如此之大,以至光线也大话骰逃离,将会发生什么。我们知道任何物体有 一个“逃逸速度”,即克服它的重力引力的速度。(例如,对于地球来说,逃逸速 度是每小时25 000英里〔40 233.6千米〕,为了挣脱地球的重力,任何火箭探球比分 达到这个速度。)

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米歇尔(Michell)想:如果一颗星星的质量变得非常大,以至它的逃逸速度 等于光速会发生什么。如果重力是如此巨大,什么也跑不出去,连光也跑不出 去,因此这个物体从外部世界看是黑的。因为它是看不见的,所以要想在空间中 找到这样一个物体从某种意义来说是不成能的。

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米歇尔(Michell)的“黑星”问题被遗忘了一个半世纪。但是在1916年它又 重新浮上水面,一位在德国军队昆仑女神、在俄罗斯前线作战的德国物理学家,卡尔 史瓦西(Karl Schwarzschild)发现了爱因斯坦方程大质量星的精确解。爱因斯坦 非常吃惊史瓦西(Schwarzschild)能够在枪林弹雨中找到他的复杂张量方程的 解。他同样吃惊史瓦西的解有奇特的性质。

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从远处看,史瓦西(Schwarzschild)的解代表一个普通星星的重力,并且爱因 斯坦很快地利用这个解计算环绕太阳的重力,校核他早期做的近似计算。为此 他终身感谢史瓦西。但是史瓦西的第二篇文章指出:在一个质量非常大的星的 外围有一个虚构的有着奇异特性的“魔球”。这个“魔球”是不成返回的极限点。 任何一个经过“魔球”的人将立刻被重力吸到这颗星星中,别人就再也见不到他 了。甚至光线掉进这个球也大话骰逃离。史瓦西没有认识到:通过爱因斯坦方程, 他重新发现了米歇尔(Michell)的黑星。

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下一步,他计算了这个“魔球”的半径(叫做“史瓦西半径”〔Schwarzschild radius〕)。对于一个像我们太阳这样大小的物体,魔球大约3千米(大约2英 里)。(对于地球,它的史瓦西半径大约1厘米。)这意味着如果我们能将太阳压 缩到2英里,它就会变成黑星,经过这个大话骰返回的极限点的任何物体都会被它 吞食掉。

实际上,魔球的存在不会引起问题,因为不成能将太阳压缩到2英里(3千 米)的尺寸。还不知道有什么机制能产生这样奇异的星。但理论上,它是一个 灾难。尽管爱因斯坦的广义相对论可以产生灿烂的结果,如光线绕太阳的弯曲, 然而当离魔球距离很近时重力变得无限大,该理论失去了意义。

一位荷兰物理学家约翰尼斯德罗斯特(Johannes Droste)指出,该解答比人 们能够想到的还要古怪。欧美写诱人美腿对论,当光线跑过这个物体的周围时它将严重 地弯曲。事实上,当光线经过距离这颗星星1.5倍史瓦西半径的地方时,光线将 环绕这颗星星以圆形轨道运行。德罗斯特(Droste)指出,当光线环绕这些大质 量星星时,按广义相对论预计的时间扭曲比狭义相对论预计的要大得多。他指 出:当你接近这个魔球时,远处的人会说你的钟变得越来越慢,当你碰到这个物 体时你的钟完全停止。事实上,外界的人会说,当你到达这个魔球时你的时间冻 结了。因为在魔球中时间会停止,因此有些物理学家相信这样奇异的物体在自 然界不会存在。让事情变得更加有趣的是,数学家赫尔曼韦尔(Hemian Weyl)指出,如果我们研究魔球内部的世界,似乎在它的另一侧存在一个清纯靓丽的 宇宙。

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所有这一切都是这么离奇,甚至爱因斯坦也大话骰相信它。1922年,在巴黎 的一次会议上,数学家雅克阿达马(Jacques Hadamard)问爱因斯坦:如果“奇 异性”是真的,也就是说如果在史瓦西半径处重力变得无限大会发生什么事情。 爱因斯坦回答道对于这个理论来说

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,它将是一个真正的灾难,事先很难说实 际上它会不会发生,因为公式不再适用。”爱因斯坦后来将此叫做“阿达马灾 难”。但是爱因斯坦认为所有这些关于黑星的终极大赢家足球即时比分是纯粹猜测的。首先,没有 人看到过这样奇异的物体,也许它们不存在,也就是说它们是不现实的。此外, 如果你掉进一颗黑星,你就会被挤扁压死。因为人们绝对不成能通过魔球(因 为时间停止了),所以绝没有人能进入这个平行宇宙。

在20世纪20年代,这个问题使物理学家完全困惑。但是在1932年,大爆 炸理论之父乔治勒迈特尔(Georges Lemattre)做出了一个重要的突破。他指 出:魔球根本不是奇异的,而是由于选择了不合适的数学公式引起的幻觉。(如 果选择不同的坐标或变量考察魔球,奇异性就消失了。)

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宇宙学家H. P.罗伯逊(H. R Robertson)用这个结果重新考察德罗斯特

(Dmste)本来的在魔球中时间会停止的结果。他发现,仅当武汉狼友察火箭船进入魔 球的武汉狼友察者从有利的位置进行武汉狼友察不时间才停止。从火箭船本身的有利位置武汉狼友 察,重力只需要几分之一秒就会将你吸入魔球。换句话说,空间旅行者会非常不 幸,当他通过魔球时他发现本身被立即挤扁压死,但是对从外界武汉狼友察的武汉狼友察者来 说,这个过程似乎用了几千年。

这是一个重要的结果。它意味着魔球是可以达到的,不再是一个数学畸形 而被排除。人们不得不认真考虑,如果从魔球中穿过会发生什么。于是物理学 家计算穿过魔球的旅行会是什么样子。(今天魔球被称为“事件穹界”〔the event horizon〕。“弯界”指的是可以看到的最远点。此处指光线能够传播的最远点。 事件穹界的半径叫做史瓦西半径。)

当你乘火箭船接近黑洞时,你会看到在几十亿年前被黑洞大赢家足球比分网的光线,回到 黑洞开始产生的时候o换句话说,黑洞的生命史将展示在你面前。当你离得更 近时,重力会逐渐将你身体的原子撕裂开,直到你身体的原子的核也被拉成意大 利面条的样子。穿越事件穹界是一条不归之路,因为重力是如此强烈,你最终将 被吸到黑洞的中心,被挤垮压碎。一旦到了事件穹界的内部,就再也没有机会返 回。(要想离开事件穹界,除非你比光跑得还要快,但这是不成能的。)

1939年,爱因斯坦写了一篇文章想排除这种黑洞,他声称这些黑洞大话骰靠 自然过程形成。爱因斯坦首先假定,星星是从一个球形范围内旋转的尘埃、气体 和碎片开始的,在重力作用下逐渐聚在一起。爱因斯坦然后指出,这些涡旋的粒 子集绝不会收缩到它的史瓦西半径范围内,因此绝不会成为黑洞。这些涡旋的 粒子最多能够达到1.5倍史瓦西半径的地方,因此黑洞绝不会形成。(要进入低 于1.5倍史瓦西半径,就要比光还要跑得快,这是不成能的。)他写道:“该研究 的基本结果是要清楚地理解为什么‘史瓦西奇异性’ (Schwarzschild singularities) 在物理现实中不会存在。”
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亚瑟爱丁顿(Arthur Eddington)也对黑洞持深深的保留意见,一生都在怀 疑它们是不是存在。他曾经说应该有一个自然定律防止星星浮现这种奇怪 的方式。”

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与此相反,在同一年,J.罗伯特奥本海默(J. Robert Oppenheimer)(他后来 创造了原子弹)和他的学生哈特兰斯奈德(Hartland Snyder)指出:黑洞的确能 够通过其他机制形成o他们不是假定黑洞来自涡旋的粒子在重力下聚集,他们 的出发点是一颗老的、大质量的星,用完了它的核燃料,因此在重力作用下内向 爆裂。例如,一颗正在死亡的质量为太阳40倍的巨星,可能耗尽了核燃料,被重 力压缩到80英里(128. 75千米)的史瓦西半径(Schwarzschild radius)范围内,最 终nba即时比分形成黑洞。他们认为黑洞不仅是可能的,也许还是星系中几十亿颗正在 死亡的巨星的自然终点。(奥本海默在1939年提出的这个向内爆裂的思想也许 鼓舞了他在几年之后将内向爆裂的思想用在原子弹上。)
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