黑洞：從逃逸速度到第一個精確解

從預(yù)知到計算，從逃逸速度到第一個精確解，“黑洞存在”越來越被人們接受！

此前從未觀測到的黑洞，是如何被人所知的？熟悉物理的人應(yīng)該都知道，是愛因斯坦的相對論預(yù)知了這種天體的存在。然而，雖然愛因斯坦的相對論預(yù)知了黑洞的存在，可是計算出有“黑洞”天體存在的卻并非愛因斯坦！

前兩次的探索

其實，在愛因斯坦之前還有人曾無限接近獲悉到有“黑洞”的存在！我們知道，所有的天體都有一個所謂的逃逸速度——即永久逃離這個天體引力所必須具有的最小速度。譬如，航天飛船要脫離地球，那么它的初速度就要大于地球的逃逸速度。

逃逸速度取決于星球的質(zhì)量。如果一個星球的質(zhì)量大，其引力就強，逃逸速度值就高。反之一個較輕的星球?qū)休^小的逃逸速度。逃逸速度還取決于物體與星球中心的距離。距離越近，逃逸速度越大。地球的逃逸速度是11.2公里/秒，太陽的逃逸速度為617.7公里/秒。而我們知道光速是299792458米/秒，遠遠小于黑洞的逃逸速度，所以光也沒有辦法走出黑洞！

逃逸速度的計算依據(jù)正是牛頓的萬有引力定律，這個定律事實上給出了逃逸速度與恒星質(zhì)量之間的精確關(guān)系，正是因為科學(xué)家知道了逃逸速度的存在，才能制造出航天器，從而飛出地球。但牛頓因為時代的限制，最終沒能夠?qū)λ囊Ψ匠踢M一步深入延伸至大質(zhì)量恒星的歸宿問題上，從而錯失了最早發(fā)現(xiàn)黑洞理論的機會。

到了1783年，英國天文學(xué)家約翰·米歇爾進行了一項論證：如果有個人垂直向上射出一個粒子，比如炮彈，它的上升將被引力所減緩，而且這個粒子最終將停止上升并落下。然而，如果初始向上的速度超過“逃逸速度”的臨界值，引力將不夠強大到足以停止該粒子，它將飛離遠去。光速大約是每秒300000千米，光可以從地球或太陽輕而易舉地逃逸。

但是如果一顆恒星的質(zhì)量非常大，以至于它的逃逸速度達到了光速，會怎么樣呢？如果引力是如此巨大，連光也跑不出去，因此從外部世界看這個恒星必然是黑的，米歇爾稱之為“暗星理論”，也就是我們說的黑洞

因為“暗星”是不可見的，所以要想在空間中找到這樣一個天體對于那個時代的科學(xué)家來說是不可能的，所以很多科學(xué)家認為“暗星”沒有任何意義。自此后，米歇爾的觀點也逐漸被人遺忘。

第一個精確解

史瓦西1873年10月9日生于法蘭克福。16歲時，寫出了三體問題周期解的論文（三體問題并不是指劉慈欣的《三體》，三體問題是指三個質(zhì)量、初始位置和初始速度都是任意的可視為質(zhì)點的天體，在相互之間萬有引力的作用下的運動規(guī)律問題）。年僅17歲，就在《天文學(xué)通報》雜志上發(fā)表了兩篇關(guān)于雙星軌道的論文。

1915年，物理學(xué)家愛因斯坦提出了著名的“愛因斯坦場”方程。正在德軍東線戰(zhàn)場里的卡爾·史瓦西，在一封信上看見了愛因斯坦的這項轟動的理論發(fā)現(xiàn)。但是由于算法原因，愛因斯坦場方程在當(dāng)時只有近似解，這點燃了史瓦西的科研欲望。在炮火連天的前沿陣地，利用作戰(zhàn)間隙潛心研究，他居然給出了這個方程的精確解，解決了這項世界級物理難題。

我們知道，在“愛因斯坦場“方程中，愛因斯坦沿用的是傳統(tǒng)的直角坐標系，所以對一個對稱的、不自旋、不帶電荷的有質(zhì)量球體進行計算，只能給出一個近似解。但史瓦西另辟蹊徑，引入的坐標系類似于極坐標系，從而得出精確解。

他將自己的研究成果寄給愛因斯坦，得到了愛因斯坦的夸贊。愛因斯坦場方程的這個精確解，從此被命名為“史瓦西度規(guī)”，這也正是愛因斯坦場方程的第一個精確解。

而在此基礎(chǔ)之上，史瓦西發(fā)出了第二篇論文，其中給出了“史瓦西內(nèi)解”，以及計算黑洞視界半徑的公式，由此，黑洞的視界半徑被稱為“史瓦西半徑”，并把上述天體周圍史瓦西半徑處的想象中的球面，叫作視界。

簡單來說，史瓦西設(shè)定了這樣一個天體：電荷量為0（也就是呈電中性），角動量為0（也就是不自轉(zhuǎn)），宇宙常數(shù)也為0。這本可以用于描述地球和太陽之類自轉(zhuǎn)緩慢的天體，但如果它的質(zhì)量增大到足夠大后，它的逃逸速度將超過光速。這就意味著沒有任何東西能夠逃出它的魔掌，所以它本身也無法被看見，這就是“黑洞”。

史瓦西的這篇論文，讓大家從此知道了，在茫茫宇宙之中存在著“黑洞”這種特殊的天體，自此100年里，科學(xué)家們都在為了證實黑洞的存在而前赴后繼。

雖然史瓦西通過計算證實了“黑洞”的存在，但注重實踐和觀測的他，卻無論如何也不愿意接受。他認為，這個數(shù)學(xué)上的解根本就沒有對應(yīng)的物理意義，他不相信黑洞是真實存在的。

1916年，還沒有來得及去實證“黑洞”概念的史瓦西在戰(zhàn)場上染上了“天皰瘡”。身染惡疾的史瓦西被送回來德國老家，不到兩個月，就撒手人寰。不過，史瓦西所做的卓越貢獻得到了大家的一致肯定。1960年，德國科學(xué)界在圖林根邦陶騰堡地區(qū)建立了以史瓦西命名的“卡爾-史瓦西天文臺”。

而他由“史瓦西半徑”得出的黑洞也被命名為“史瓦西黑洞”。這是一種“尋常黑洞”。它是直接由較大的恒星演化而來的。恒星到晚期時核燃料消耗殆盡，輻射壓急劇減弱，星體在其自身引力的作用下坍縮。若質(zhì)量（指原恒星的質(zhì)量）大于3倍的太陽，其產(chǎn)物就是黑洞。在宇宙空間里，此類黑洞具多數(shù)，其最大質(zhì)量一般不超過50.2倍的太陽。

史瓦西通過計算得出來“黑洞”的概念意義是非常重大的，過去我們從來不知道這個宇宙可能會存在“黑洞”這樣的特殊天體，這對于我們探尋宇宙的演變以及未來探索太空都具有十分重要的意義。

隨著首張黑洞照片的公開，人們對于宇宙的探索又邁進了一大步，而這都要歸功于先人的不盡探索。（編輯/任偉）