來源：科技日?qǐng)?bào)

　　霍金在最后一本著作《十問》中曾寫道，“據(jù)說事實(shí)有時(shí)候比小說更奇怪，黑洞最能真實(shí)地體現(xiàn)這一點(diǎn)，它比科幻作家夢(mèng)想的任何東西都更奇怪”。

　　黑洞最初只存在于牛頓萬有引力定律和愛因斯坦廣義相對(duì)論的公式和方程中，它太奇特，以至于最初“預(yù)見”它的人都不相信黑洞真的存在。但黑洞的詭異、神秘也讓一代代科學(xué)家為之癡迷。直到 2015 年，首次探測(cè)到的引力波為黑洞的存在提供了具體證據(jù)。

　　而今，科學(xué)家們更進(jìn)一步，關(guān)于黑洞的第一張?zhí)貙懻掌磳⒃谥苋迹≡诮辜钡却倪@段時(shí)間里，我們把視線拉回，一起回顧人類追尋、探究黑洞的不凡之路。

　　初識(shí)黑洞

　　思想游戲中“荒誕”的“暗星”

　　人類發(fā)現(xiàn)黑洞的歷史可以追溯到 18 世紀(jì)末。1783 年，在萬有引力定律提出一百年后，牛頓的“小校友”約翰·米歇爾首次提出，可能存在比太陽更大的恒星，其質(zhì)量大到逃逸速度超過光速，光都被這種恒星的引力拽回去，無法逃脫。這位劍橋?qū)W監(jiān)為想象中能夠“吸光”的大恒星起了名字，將其形象地稱作“暗星”。

　　1795 年，法國(guó)科學(xué)家皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在著作《世界系統(tǒng)》中表達(dá)了類似的觀點(diǎn)，提出存在光都無法逃逸的天體，也即“暗星”概念。拉普拉斯根據(jù)牛頓引力理論計(jì)算出，如果物體的半徑被壓縮到足夠小，它的逃逸速度將超過光速。

　　但非常有趣的是，拉普拉斯在此書的第三版和以后的版本中再也不提此事了，或許他自己都覺得這個(gè)想法過于荒誕，只能作為思想游戲，現(xiàn)實(shí)中并不存在。隨著拉普拉斯對(duì)此保持沉默，關(guān)于“荒誕暗星”的想法也被忽略了，一直到 20 世紀(jì)初。

　　預(yù)見黑洞

　　愛因斯坦方程的推理結(jié)果

　　1907 年，德國(guó)哥廷根大學(xué)的數(shù)學(xué)教授閔可夫斯基首次提出嚴(yán)密的四維時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)，將一直以來被認(rèn)為是獨(dú)立的時(shí)間和空間以幾何的形式結(jié)合到一起，為廣義相對(duì)論的建立提供了框架。

　　1915 年，經(jīng)常翹閔可夫斯基課的愛因斯坦，在狹義相對(duì)論和四維時(shí)空幾何基礎(chǔ)上，提出真正“預(yù)見”黑洞的廣義相對(duì)論。在科學(xué)院的演講中，愛因斯坦講述的觀點(diǎn)顛覆了此前人類的宇宙觀：我們棲息在一個(gè)名為“時(shí)空”的四維現(xiàn)實(shí)里，它隨著物質(zhì)能量的變化而發(fā)生著波動(dòng)。

　　愛因斯坦將他的神奇創(chuàng)見集中展示在幾個(gè)核心方程中，即愛因斯坦場(chǎng)方程。通過這些方程，可以直接推導(dǎo)出某些大質(zhì)量恒星會(huì)終結(jié)為一個(gè)黑洞——時(shí)空中的某些區(qū)域發(fā)生極度的扭曲以至于連光都無法逸出。

　　丈量黑洞

　　史瓦西的天才貢獻(xiàn)

　　由于算法原因，愛因斯坦場(chǎng)方程在最初發(fā)布時(shí)只有近似解，愛因斯坦本人對(duì)此也無能為力。公布后僅僅過了 20 天，愛因斯坦便收到一封來自德軍東線陣地的來信，一位名叫卡爾·史瓦西的炮兵中尉在炮火連天的一戰(zhàn)前線給出了這個(gè)方程的精確解，他在戰(zhàn)壕里解決了這項(xiàng)世界級(jí)物理難題。

卡爾·史瓦西

　　和愛因斯坦一樣，卡爾·史瓦西出生在一個(gè)德國(guó)猶太家庭。少年史瓦西可謂“既仰望星空，又腳踏實(shí)地”，他很早便對(duì)天文學(xué)表現(xiàn)出極大的興趣，自己動(dòng)手“攢”了臺(tái)簡(jiǎn)易的天文望遠(yuǎn)鏡，早早開啟了天文探索之旅。

　　此后，史瓦西的天才逐漸顯露：15 歲獨(dú)立發(fā)表關(guān)于雙星軌道的論文；23 歲取得博士學(xué)位；28 歲任格廷根大學(xué)教授和該校天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)；40 歲當(dāng)選德國(guó)科學(xué)院院士，期間著作等身，貢獻(xiàn)卓越。然而，就在史瓦西當(dāng)選院士不久，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了。史瓦西以 41 歲“高齡”加入了德國(guó)陸軍，先后被派到德軍西、東前線戰(zhàn)場(chǎng)擔(dān)任炮兵中尉。在大片焦土下的戰(zhàn)壕里，史瓦西迎來了他學(xué)術(shù)生涯的又一巔峰。

愛因斯坦

　　他在寫給愛因斯坦的信中寫道：“如您所見，除了炮彈和重機(jī)槍的轟鳴聲干擾我的思緒，戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)很善待我了，讓我擺脫世俗的一切，在思維領(lǐng)域有如此的漫步”。信中附帶的論文，正是史瓦西給出的愛因斯坦場(chǎng)方程的精確解，而此解的一個(gè)結(jié)果便是理論上存在黑洞。在隨后寄出的第二篇論文中，前線中尉又給出了關(guān)于星體內(nèi)部時(shí)空彎曲的精確計(jì)算。

　　在兩篇帶著硝煙味道的論文中，史瓦西提出，離致密天體或大質(zhì)量天體的中心某一距離處，逃逸速度等于光速，即在此距離以內(nèi)的任何物質(zhì)和輻射都不能溢出。后人將此距離稱為史瓦西半徑，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。

　　雖然離黑洞又進(jìn)一大步，但無論是愛因斯坦還是史瓦西，他們都不相信黑洞真實(shí)存在。殘酷的戰(zhàn)爭(zhēng)最終沒有善待史瓦西，也沒給他更多時(shí)間去理解自己的發(fā)現(xiàn)，在俄國(guó)寒冷的德軍戰(zhàn)壕中，史瓦西患上了一種免疫性皮膚病，在論文發(fā)布短短 4 個(gè)月后便英才早逝。

　　現(xiàn)代黑洞

　　從原子彈之父到發(fā)現(xiàn)引力波

　　1939 年 9 月 1 日，納粹德國(guó)軍隊(duì)入侵波蘭，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。就在同一天，美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·奧本海默發(fā)表了第一篇關(guān)于黑洞的學(xué)術(shù)論文，這篇“持續(xù)引力收縮”成為探索黑洞歷史上的又一關(guān)鍵點(diǎn)。

羅伯特·奧本海默

　　奧本海默在論文中預(yù)測(cè)，恒星在其自身引力場(chǎng)的影響下會(huì)持續(xù)收縮，從而形成一個(gè)具有強(qiáng)烈吸引力的物體，甚至連光都不會(huì)從中逃脫，這是現(xiàn)代黑洞概念的第一個(gè)版本。

　　隨著戰(zhàn)爭(zhēng)升級(jí)，很多科學(xué)家都把方向轉(zhuǎn)移到了原子核物理學(xué)。引力坍縮的問題被拋到九霄云外，奧本海默也成為曼哈頓計(jì)劃的負(fù)責(zé)人。到戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束時(shí)，對(duì)宇宙的研究重新燃起。曾經(jīng)被低估的廣義相對(duì)論重新復(fù)興，這對(duì)接受和理解黑洞至關(guān)重要。

　　隨后，普林斯頓大學(xué)成為新一代研究相對(duì)論的中心。正是在那里，核物理學(xué)家約翰·惠勒于 1967 年提出了“黑洞”這個(gè)名字。黑洞的名稱自此迅速流行起來，它象征了黑暗和神秘。從那時(shí)起，關(guān)于黑洞更多的新屬性和類型紛紛被發(fā)現(xiàn)，直到 2015 年達(dá)到頂峰：首次探測(cè)到黑洞二元系統(tǒng)中產(chǎn)生的引力波，為黑洞的存在提供了第一個(gè)具體證據(jù)。

　　黑洞之所以奇特，一個(gè)重要的點(diǎn)就是我們看不到它，它長(zhǎng)久以來存在于數(shù)學(xué)家的方程解和物理學(xué)家的想象中。科學(xué)之所以美妙，一個(gè)重要的點(diǎn)就是即便我們看不到它，但人類的智慧能夠讓我們?cè)诎倌昵邦A(yù)見它、丈量它，直到天文學(xué)家即將為我們呈現(xiàn)黑洞照片，眼見為實(shí)地驗(yàn)證這一跨世紀(jì)的太空“預(yù)言”。

　　1913 年，史瓦西當(dāng)選德國(guó)科學(xué)院院士時(shí)曾說道，“數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)是同向前行的，無所謂誰落在后面，也無所謂誰在前頭并施以援手。而天文學(xué)，與這個(gè)精確科學(xué)組成的圈子，有著最緊密的關(guān)聯(lián)……數(shù)學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)構(gòu)成了一個(gè)‘知識(shí)’，只能作為一個(gè)完美的整體而被理解。”而今，關(guān)于黑洞的最新成果無疑讓自然科學(xué)各學(xué)科更緊密地連在一起，讓我們感受到科學(xué)本身的力量。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的关于黑洞，那些你所不知道的人和事的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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