如果愛因斯坦見到黑洞照片

劉姝鈺

最新發(fā)布的黑洞之影照片，是對愛因斯坦廣義相對論的驗(yàn)證。如果愛因斯坦看到這張照片，是不是會發(fā)笑？

1915年，愛因斯坦憑借他卓越的物理天分，提出廣義相對論，顛覆了人們一直以來的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知。根據(jù)廣義相對論，曾經(jīng)被認(rèn)為只是居住在廣袤時空中的宇宙萬物，一下子翻身做了時空的建造者。

在廣義相對論問世時，因其天馬行空的時空觀，許多科學(xué)家不敢相信。但100年來，隨著科學(xué)的發(fā)展，人們通過廣義相對論推演出的很多重要預(yù)言都逐一得到證實(shí)。最近一次，就是黑洞照片的問世。

百年前的廣義相對論，至今“前衛(wèi)”

引起世界狂歡的黑洞之影，與廣義相對論之間有著怎樣的淵源？

其實(shí)，科學(xué)家對黑洞的猜想早在幾百年前就已經(jīng)初露端倪。我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在可以進(jìn)行核聚變反應(yīng)的燃料耗盡后，發(fā)生引力塌縮而形成的。黑洞的大質(zhì)量決定了它超強(qiáng)的引力場，強(qiáng)到連傳播速度極快的光子也無法逃逸。

所有的天體都有一個所謂的逃逸速度，只有當(dāng)物體的初速度達(dá)到天體逃逸速度時，物體才能擺脫天體的引力束縛而飛出該天體。地球的逃逸速度即第二宇宙速度，為11.2千米/秒。光的速度雖然達(dá)到了30萬千米/秒，卻依然無法逃離黑洞巨大的引力。

1687年，牛頓發(fā)表了他的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，并研究了逃逸速度。但可惜的是，由于種種計(jì)算問題，牛頓最終沒能將他的引力方程延伸至大質(zhì)量恒星上。

到1783年，英國天文學(xué)家約翰·米歇爾第一個想到：可以存在比太陽質(zhì)量更大的恒星，其逃逸速度甚至超過光速，連光都無法逃逸出去。因此，從外部看，這顆恒星將是全黑的。他把這種巨大的天體稱為“黑星”。

但在那個時代，要想在太空中找到這樣一顆根本看不見的天體是不可能的，有關(guān)“黑星”的想法就這樣被擱置了一個多世紀(jì)。直到20世紀(jì)早期，愛因斯坦創(chuàng)造了兩種偉大的理論——狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論描述了一種全新的時空觀，即物體的運(yùn)動速度會影響物體的質(zhì)量、空間，甚至?xí)r間。而廣義相對論，則是對曾經(jīng)的萬有引力理論的修正。

根據(jù)牛頓所提出的萬有引力理論，我們知道一切事物之間都有引力。物體質(zhì)量越大，引力越大，比如，蘋果掉在地上就是受了地球引力的作用。廣義相對論則認(rèn)為，任何有質(zhì)量的物體都會導(dǎo)致“時空”的彎曲，因此，當(dāng)物體向一個大質(zhì)量的物體靠近時，將會沿著彎曲的路徑前進(jìn)，這種現(xiàn)象就是“引力”。

以蘋果為例，蘋果掉在地上并不能單純認(rèn)為是受到地球引力，而是因?yàn)榈厍驈澢酥車臅r空，蘋果沿著這一時空運(yùn)動時掉了下來。我們可以借美國物理學(xué)家惠勒之言，概括廣義相對論的精髓：時空決定物質(zhì)如何運(yùn)動，物質(zhì)決定時空如何彎曲。

這個結(jié)論看上去非常荒謬，但事實(shí)是，同步衛(wèi)星上的時鐘比地球上的時間每天要快38微秒。因?yàn)樵谀莻€距離地球較遠(yuǎn)的位置上，衛(wèi)星所受到的地球彎曲時空的影響較小，時間過得較慢。

走出“魚缸”，從看到黑洞開始

廣義相對論的另一個結(jié)論是，光也受引力影響，也將沿著一個彎曲的路線走。當(dāng)然，并不能說牛頓的萬有引力理論就是錯的，它是一種“近似”，在我們?nèi)粘７懂?，牛頓力學(xué)已經(jīng)足夠。

不同于萬有引力理論的簡單方程式，愛因斯坦的理論要用一系列復(fù)雜的被稱為“場方程”的方程式來解釋。1916年，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西就是根據(jù)這套復(fù)雜的場方程發(fā)現(xiàn)了關(guān)于大質(zhì)量恒星的精確解，“黑星”問題重新浮出水面。

依據(jù)場方程，一個密度極其大的天體在宇宙空間創(chuàng)造了一個區(qū)域，在這個區(qū)域中，包括光也受到天體引力的影響，無法逃逸。史瓦西甚至根據(jù)場方程，進(jìn)一步計(jì)算了這個天體的半徑。

曾經(jīng)，這一切被認(rèn)為純粹只是一個數(shù)學(xué)結(jié)果。但隨著天體物理學(xué)的進(jìn)步，我們對恒星的生命周期有了進(jìn)一步了解，一些凋亡的恒星最終可能會變成另一種奇異天體的現(xiàn)象或許真的會發(fā)生。現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，這就是黑洞。1967年，惠勒第一次提出“黑洞”一詞，在當(dāng)時還只是指一種只在理論上存在的、極端致密和令時空無限彎曲的天體。52年之后，人類終于為黑洞拍下了第一張真正的照片。

面對這樣一個黑透了的物體，科學(xué)家們是如何通過“曲線救國”看到它的面目的？那就要得益于吸積盤與噴流這兩種現(xiàn)象了。二者皆因黑洞在吞噬萬物時，氣體摩擦而產(chǎn)生明亮的光與大量輻射。因此，對黑洞的觀測結(jié)果除了說明廣義相對論的又一個預(yù)言被證實(shí)，也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產(chǎn)生并影響星系演化的。

根據(jù)愛因斯坦的場方程，當(dāng)我們知道了黑洞的質(zhì)量，就能算出它的半徑。為了紀(jì)念卡爾·史瓦西，這個黑洞的半徑被稱為“史瓦西半徑”，包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都無法從史瓦西半徑中逃出。而黑洞的表面積被稱為“視界”，因?yàn)橐坏┯袞|西越過了視界，那么它就永遠(yuǎn)消失了，或者說，被隱匿到宇宙的另一部分中。

有了這張黑洞照片，天文學(xué)家接下來將會從中推斷更多M87星系黑洞的數(shù)據(jù)，包括它到底有多重，角動量是多少，周圍的塵埃與氣體是一種什么樣的狀態(tài)。天文學(xué)家將計(jì)算的數(shù)據(jù)與之前通過其他手段間接推測的結(jié)果進(jìn)行比對，科學(xué)的認(rèn)知才能獲得不斷進(jìn)步。

現(xiàn)在，讓我們回到那一顆“蘋果”。它掉落下來，是因?yàn)榕ｎD提出的萬有引力，還是因?yàn)閺V義相對論創(chuàng)造的時空扭曲，對于“我”而言又有什么區(qū)別，“我”究竟是為了什么在糾結(jié)？

從現(xiàn)實(shí)世界來說，我們每個人手中握著的帶有GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的電子設(shè)備，其實(shí)就是受益于廣義相對論。

未來，如果有一天蟲洞旅行、光速飛船變成現(xiàn)實(shí)，人們就不會再問相對論、量子論以及探索宇宙有什么用。

幾年前，意大利蒙扎市議會通過了一項(xiàng)法案，禁止寵物的主人把金魚養(yǎng)在圓形的魚缸里。提案者解釋，因?yàn)閳A形魚缸的彎曲面，會讓金魚眼中的“現(xiàn)實(shí)”世界變得扭曲，這對金魚而言太殘忍。

這個提案看上去很荒唐，對嗎？

在這背后，卻有一個哲學(xué)和物理學(xué)迷思：金魚看見的世界與我們看見的不同，我們何以知道我們看到的就是一個“不扭曲”的世界？

我們所感知到的“現(xiàn)實(shí)”就一定是真實(shí)的嗎？

以上，就是斯蒂芬·霍金在著作《大設(shè)計(jì)》中提出的“金魚缸論證”。

探究黑洞，是因?yàn)槲覀儾⒉桓市耐高^“魚缸”看世界。