黑洞、奇点、重力塌缩、时空扭曲、广义相对论,你了解多少

这几天,网络上最火爆的照片无疑就是那组“史上首张黑洞照片”了。这组照片的公布尽扫科学界过去对黑洞是否存在的质疑。当然,也让“某觉”公司活了一把,愣是趁机大捞一笔。且不说这种恬不知耻的行为如何,今日笔者只说黑洞,相比之下,“某觉”比黑洞还要“黑”。转回正题,跟大狮子一起看宇宙黑洞的最新定论。照片公开方“事件视界望远镜(EHT)”计划研究员强调,黑洞照片证实了爱因斯坦“广义相对论”的正确性。尽管天才物理学家的理论正确描述了空间、时间、物质及重力的关系,殊不知爱因斯坦当年也曾怀疑自己所提出的黑洞设想是否正确。

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“黑洞理论”源于广义相对论的见解,但“黑洞”一词并非由爱因斯坦所造。最早提出“黑洞”一词的已故美国物理学家约翰·惠勒,他曾概述:“物质驱使时空扭曲,时空驱使物质按其扭曲移动。”假如一块悬空的扁平橡胶板代表时空,人们在中央位置放上一个代表物质的保龄球,胶板自然会因承受保龄球的质量而扭曲,下坠到更加接近地面。扭曲的时空构成重力场,如此便简洁说明了,时空是如何受物质扭曲。

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随后,继续于胶板周边放置滚石,因为先前中央已有一颗保龄球,重力场令石的滚动轨迹发生变化:从外向弯曲下坠的中央绕转。最初被物质改变了的时空,由此使影响了物质的移动。可见广义相对论下,物质、时空关系密切,重力则调节彼此的相互作用。

粗略理解广义相对论后,又如何延伸至黑洞理论?德国物理学家卡尔·史瓦西便提出一项假设:把一个密度无限的奇点放到板中央。他认为,在达到特定条件下,这个奇点理论上会穿越时空。天体物理学里的奇点,可严重扭曲时空,即便是最快的光速,也不能从奇点产生的时空洞中逃逸。

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尽管数学上,奇点是一个有趣的数值解,但当时天体物理学界普遍反对“奇点”的假设,理由是现实中没有已知机制可产生“奇点”。史瓦西一直坚持自己的看法,直至 1916 年去世,他的理论仍被忽视。

终于,印度裔天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡在1935 年找到奇点出现的机制。他提出,如果一颗巨大恒星耗尽自身燃料后,由于已不能平衡自身重力,物质便会向内塌陷,称为“重力塌缩”,导致时空崩塌。他的发现,拉近了数学假设与科学可能性之间的差距,为日后证实奇点形成,提供背后理论。

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不过,由于这些概念在当时听来过于激进,即使是爱因斯坦本人,对此亦带有疑虑。他在 1939 年刊于“数学年鉴”的论文中,曾表示有关想法“没有说服力”,而且这种现象在现实中并不存在。

及至 60 年代,两位超级物理学家霍金及罗杰·彭罗斯终于证明,奇点在宇宙中并不罕见,是宇宙系统的一部分。当拥有巨大质量的恒星耗尽自身后,便自然演化成奇点。而爱因斯坦逝世 12 年后的 1967 年,惠勒在纽约一个学术会议期间提出“黑洞”一词,描述此一恒星崩塌后的状态。他又在 1999 年的自传中写道:“黑洞让我们知道,像纸一样的空间,能被揉成无限小的点。在那时候,时间就像吹熄的火焰一样熄灭。以及我们自以为‘神圣不可变更的物理定律’,其实什么都不是。”

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