这个问题，连爱因斯坦和霍金都在寻找答案

编者按：

关于霍金和爱因斯坦，不少读者可能早早发现了这一巧合：3月14日是霍金是去世日，同时也是爱因斯坦的生日。除开这样一个巧合，两位科学巨匠至少都对同一样东西特别感兴趣：黑洞。他们都不满于科学家关于黑洞最初的理论构想，提出了各自的批评。

以下这篇文章节选自理想国出版的《海滩上的爱因斯坦》，简要介绍了黑洞如何产生、爱因斯坦和霍金如何看待黑洞，以及当代物理学家如何摸索到了验证黑洞存在的方法。

黑洞，极端天体

[法] 马克·拉谢兹-雷伊

译者: 龚蕾

选自《海滩上爱因斯坦》

自十八世纪末期以来，学者们就在（牛顿理论框架中）研究是否可能存在质量大到足以“保留”自己发出的光的天体。英国人约翰·米歇尔和法国人皮埃尔—西蒙·德·拉普拉斯间隔了几年时间，分别预测了这种“黑体”应该比太阳大数百倍。

但在1915 年后， 广义相对论提供了一个新的框架来重新研究这个问题并检视在高强度引力场中光的行为。

1916 年后，德国物理学家卡尔·史瓦西预言，如果一颗恒星的质量被压缩到足够小的体积里，那么它的密度会变得极高，足以使时空几何变形，没有任何光可以逃出。

另外，任何经过这颗“黑星”附近的物体都会无法挽回地被其高密度重力吸引并坠入其中，没有丝毫逃出的希望。这也是为什么这类无法直接看到的天体被称为黑洞（trou noir），该词由美国物理学家约翰·惠勒在 1960 年代末期普及。

没有任何事物能够阻止物质在黑洞中心坍缩：一切都向着似乎有着无限密度的一点集中，这个点叫奇点（singularité）。这已经是最不惊人的想法了……另外，时空的变形也有了特殊的形态：奇点被一个叫作视界（horizon）的（非物质）平面围绕，它标明了黑洞的边界，在这之内什么都不能逃离，甚至是光。视界构成了一条边界将黑洞与剩下的宇宙分开：在外部，我们不能知道内部发生的任何事情；一旦穿越了视界，就再也不能重新出来……

爱因斯坦不喜欢物理量能够趋于无限（例如黑洞里的密度）的想法。他认为，这不符合物理现实。这更可能是表明理论中有一个缺陷。今天，许多物理学家认为他是正确的。

对“量子效应”的考虑可能说明没有任何奇点存在，也可以说明辐射可以离开黑洞，或至少——根据霍金提出的一个过程（它引入了量子力学）——给人这样的印象。最终，严格意义上来说的黑洞（如广义相对论中确切描写的黑洞）不可能存在。

爱因斯坦（左），斯蒂芬·霍金（右）

这一切都仍是推测并处于大量的研究和讨论中。许多物理学家认为只有我们同时考虑到引力效应和量子效应，才能正确描述这样的结构，也许可以通过量子引力理论的方式。不幸的是，我们还没有这样的理论……

然而，在几十年的争论后，大部分天体物理学家都相信了黑洞的确存在（即便与广义相对论中预言的天体并不完全一样）。当然，这样的天体无法直接观察。但是天文学家已经确认了一些能够发射出非常强烈的X 射线的源。这似乎“签署”了一个（不可见的）恒星级黑洞——与太阳质量同一量级的黑洞（英文stellar-mass black hole）——的存在，它正在吸收自己附近恒星的物质。

最近，这类黑洞的存在以一种惊人的方式（观测引力波）得到了确认。另外，某些星群呈现出高速且轨道紊乱的运动。将其归于黑洞引力所致的想法就变得十分诱人（通过简单的排除法，因为没有任何其他解释）。

这么可怕的天体是怎么可能形成的呢？也许是超大恒星（太阳质量的10 倍以上）经历超新星爆发后的剩余物：恒星核心的坍缩最终形成的物质密度极高，令这个核心不能稳定地成为中子星。没有什么能阻止它继续坍缩直到——我们称为黑洞的状态。（等同于几个太阳质量的）“恒星级黑洞”就是这样形成的。它们也许大量存在于银河系中并且可能是前文中提到的高能辐射产生的原因。

计算显示，所涉天体很小：例如，该理论预测，太阳质量大小的黑洞的视界理论上只位于离其中心3 千米的地方。它于是形成了一个直径仅为6 千米的球体（这是从外部来看；时空的弯曲能够让内部尺寸大得多）！

另外，越来越多且越来越有说服力的观测提出，大型星系（包括我们的银河系）的中央区域能够包容“超质量”（几百万倍于太阳质量）的巨型黑洞。它们形成的过程还没有得到完全的了解，但是它们在这些星系的形成和演变中也许扮演了重要的角色。

书名：海滩上的爱因斯坦：带上相对论去度假

‍♂️ 作者：[法]马克·拉谢兹-雷伊

翻译：龚蕾

内容简介

物理学家、法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任拉谢兹-雷伊写给大家的相对论普及读本。中科院国家天文台星云计划研究员、《星际穿越》译者李然（狐狸先生）作序推荐。丢掉数学公式，文科生也读得懂的相对论，20幅精美插画呈现相对论关键概念和实验，助你轻松脱离日常的时间和空间观，踏入爱因斯坦的弯曲时空。《海滩上的爱因斯坦》将带领我们回到20世纪的物理学界，讲述以爱因斯坦为首的物理学家们提出、完善和验证相对论的历史，还原物理学家们在发现既有的牛顿物理学、伽利略运动学无法解释一些物理现象时，如何提出种种新的解释，最后怎样不可避免地跨出革命性的一步，走向更加精妙、简洁的相对论。人类对于时间、空间、速度以及引力等基本概念的认知就此改写。

本文转载自公众号“理想国imaginist”