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澳门威尼斯:这正式宣告了广义相对论的诞生

四月 9th, 2019  |  科学

原标题:黑洞理论研究简史

1915年,爱因斯坦给出了引力场方程的最终形式,这正式宣告了广义相对论的诞生。

1916年,史瓦西给出了广义相对论的第一个严格解,这个解描述了一种最简单的天体(静止、不带电、球对称的天体)周围的时空弯曲情况。然后,史瓦西发现所有的星体都存在一个史瓦西半径,如果星体的实际半径比它的史瓦西半径要小,那么它就会变成一个黑洞

比如太阳的史瓦西半径为3千米,地球的为9毫米。如果我们把太阳的半径压缩到3千米以下,太阳就会变成一个黑洞;如果把地球的半径压缩到9毫以下,地球也会变成了一个黑洞。

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作为一个天才天文学家,史瓦西非常清楚新生的广义相对论的引力场方程对天文学家来说意味着什么,他怀着极大的热情迅速完成了这些工作,并且得到了爱因斯坦的极大赞赏,他的这些工作也标志着现代黑洞理论研究的开始。

但是,当我们都以为史瓦西会在这个领域继续深入研究,给我们带来更多惊喜的时候,史瓦西却突然在1916年5月去世了(这时他才43岁)。这不由得让我想起了闵可夫斯基,这个第一个深刻认识到狭义相对论意义的数学大师(同时也是爱因斯坦的大学数学老师),刚把爱因斯坦狭义相对论的物理思想给几何化,刚准备在狭义相对论这篇土地里大干一场时,就突然在1909年因急性阑尾炎去世了(45岁,想想在现在,切个阑尾跟切个西瓜一样简单)。

史瓦西去世之后,这一块的研究就暂时被暂停了。一方面,当时量子力学的革命正如火如荼的进行,许多物理学家的注意力都被量子力学吸引过去了;另一方面,在广义相对论-黑洞这一领域,理论物理上的权威爱因斯坦和天文学界的权威爱丁顿都不相信会有黑洞这样密度无限大的怪物。

奥本海默的工作

1939年,年轻的奥本海默根据广义相对论证明了:一个无压力的球体在自身的引力作用下坍缩到史瓦西半径的时候,如果这时候球体的质量比临界质量大,那么引力坍缩之后就不可能达到任何稳定的状态,只能形成黑洞

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用更简单的话说就是:如果球体坍缩到史瓦西半径以下(视界以内),就不再有任何其它的力能够跟引力相抗衡,球体除了继续一直坍缩没有任何其它的出路。

奥本海默和斯尼德还用广义相对论精确的研究了一个理想球形、无自转、无辐射的恒星的坍缩过程,他们通过精确的数学计算得到的公式给我们描述了这样一幅图景:在远离恒星的地方观看恒星的坍缩,我们会看到恒星坍缩到视界的时候就会完全冻结,如果站在恒星表面观察,会看到坍缩迅速通过视界,然后迅速坍缩

这个结论是从广义相对论推算出来的,但是当时绝大部分的物理学家都拒绝相信这种结果,大部分人觉得在如此强的引力面前广义相对论未必有效,而且就算有效奥本海默的解释也未必正确。本来,出现这种事都是非常正常的,物理学家们对于接受一个理论一个结论都是非常谨慎的,但是只要有出现了这种情况,大家坐下来好好分析讨论一下,一般很快都会达成新的共识。

但关键是那会儿是1939年,是第二次世界大战爆发的前夕了,而我们都知道奥本海默是曼哈顿计划的负责人。所以,这些物理学家们马上就没空研究黑洞,而必须去研究核武器去了。

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黄金年代

二战和冷战耗费了太多物理学家的精力,直到六七十年代才迎来黑洞研究的黄金时代,在这个时代有我们熟悉的霍金和彭罗斯。

许多人对黑洞的认识仅仅停留在:黑洞是一个密度大到光也无法逃出去的物体,黑洞里面有一个密度无穷大的奇点,这个奇点让物理定律都失效了

上面两篇文章我也说过要真的解开奇点之谜需要用来融合量子力学和广义相对论的量子引力,要直接面对这样的奇点是在是太困难了。

但是,如果我们不是直面奇点,而是去研究一下黑洞其他方面的性质呢?比如视界,比如辐射。

黄金年代的物理学家们在这边就探索出了一些很有意思东西。

首先,大家群策群力发现了黑洞是无毛的:不管坍缩前的黑洞有没有磁场,有没有不规则的凸起,最终都会形成一个理想球形无磁化的黑洞

然后,彭罗斯和霍金证明了一个奇点定理(凡是黑洞必定存在一个奇点),而且彭罗斯还根据自己的直觉认为不可能存在裸奇点,也就是说所有的奇点都一定被视界包围着。但是他无法证明,所以他只能把这个称之为宇宙监督猜想

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接下来,霍金先是发现了面积定理(两个黑洞融合成一个大黑洞的时候,新黑洞的视界面积一定大于原来两个面积之和),然后证明了霍金辐射,指出黑洞不是不是只会吃东西,它也会蒸发辐射,会变小,这个发现大大改变了人们对黑洞的认知。

最后,上面这些定理里经常出现霍金和彭罗斯这两个英国人的名字,大家不要觉得好像黑洞的重要工作都是英国人完成的。比如著名的霍金辐射,以霍金的名字命名是因为这个定理是霍金证明的,但是这个思想确实苏联的物理学家泽尔多维奇提出来的,霍金只是用数学的手段证明了他的想法,当然,这个证明过程当然也十分重要。

英国的大学在本科的时候主要学习数学,到了博士研究的时候才再数学和物理里面选,而美国的大学在本科的时候就可以选择物理。这样造成的结果就是,英国的物理学家的数学水平比美国苏联的要好(所以能完成那么多证明),但是在物理的直觉,对物理实质的把握上就要差一些。

结语

黄金年代之后,黑洞这边的场子就慢慢的散了,物理学家们又去倒腾其他的事情去了,比如去扎堆超弦理论。

为什么大家都撤了呢?是因为黑洞的问题都已经研究透了么?

当然不是,即便有了黄金年代那些新的成果,对黑洞的研究依然还只是皮毛,更不要说奇点那个终极大BOSS了。但是大家发现,以现在的这种理论水平,似乎对黑洞能研究的已经研究了,没研究的也研究不了,工具不行,干瞪眼也没用。

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或许广义相对论只能帮我们到这了。我们对广义相对论和量子力学的认识还不够,还无法将它们深度融合起来,要想更深层次的认识黑洞就必须要对重新打磨新的工具,而超弦理论就号称是能够融合广义相对论和量子力学,能够统一所有基本力的屠龙刀。但是现在看起来,这把超弦这把刀还只是半成品,甚至连半成品都算不上,最终是屠龙刀还是杀猪刀就不得而知了。

但是,物理学家们有选择么?是骡子是马还得拉出来溜溜才知道,超弦是屠龙刀还是杀猪刀也得自己去试试才知道,而且超弦这样的热门理论起码全世界都还有人交流,不是谁都有爱因斯坦那样的能力,一个人从一片丛林杀出一片天地的。

原本不是打算写这样一篇简史的,手一滑就这样了~

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