时空的囚笼，广义相对论预言的宇宙中最奇特天体——黑洞简史

肥牛于田揖

黑洞是宇宙中一种特殊的天体，它跟其它所有已知天体都不一样，因为它并不像其它已知天体一样有一个实体表面，它的“表面”是空的。这是怎么回事呢？故事要从300多年前说起。
黑洞前传——暗星初现

在300多年前，天文学家罗默通过对木掩卫星（木星遮挡其卫星）天文现象的观测，计算出光速是一个有限的值，它不再像自古以来人们认为的那样具有无限的速度。这是人类第一次较为精确地测量了光速，不过可能是由于当时对木星轨道的估算存在误差，因此这一次的测量结果（约22万公里每秒）存在较大的误差。

随着对光速测量方法和测量精度的进步，光速逐渐被确定为约30万公里每秒。

到了18世纪末，英国科学家米歇尔和法国数学家拉普拉斯分别根据牛顿万有引力定律提出可能存在一种天体，它们的表面逃逸速度达到了光速，则光也没有办法从其表面逃离，因此这种天体是不发光的，即使它们拥有炽热的表面。他们把这种不发光的天体称为暗星。根据逃逸速度公式，一个发光的天体要形成暗星有两种方式，一种是使其质量增加，另一种是使其天体半径缩小。即要么密度大致不变而质量大幅增加，这可以通过吸积物质来实现；又或者质量不变密度大幅增加，这可以通过压缩体积来实现。

他们预言的这种暗星具有固实体的表面，并且温度可能极高，然而由于其表面逃逸速度过高，光辐射无法逃离，以致外界无法看到它们。根据牛顿引力理论，光会从其表面往上射出后，在逃离引力场过程中损失动能，最终沿抛物线落回天体表面。我们在远处看，由于没有光能达到我们的眼睛，它们将是完全黑暗的。

天才的狙击——暗星落幕

不过很快，他们这一理论就被一位天才的英国医生打脸了，这位光学天才就是后来名闻天下的托马斯·杨。19世纪初，他利用一束平行光经过两条狭缝，投射到缝后面的墙壁上时产生了水波一样的干涉现象，这就是现在所说的杨氏双缝干涉实验。由于干涉是波的特有性质，因此这实验表明光是一种波。既然光是波，自然不可能像普通物体一样向上飞出后因动能损失而沿抛物线落回天体表面，这样，米歇尔和拉普拉斯提出的暗星理论就不成立了。

新理论诞生——星光偏折

又过了一百年，到了20世纪初，新的引力理论横空出世，天才物理学家爱因斯坦先后提出狭义相对论和广义相对论，修正了主导物理学界两百多年的牛顿时空观和万有引力理论。在广义相对论里，引力并不是一种大质量天体把物体向自身拉的力，而是大质量天体的质量使空间产生弯曲，物体沿着弯曲的空间做测地线运动所产生的一种效应。

在一般情况下，这两者所产生的效果是一样一样的，但是当情况变得极端，两者的差异就会明显起来。比如当光线经过大质量天体，会因天体导致的空间弯曲而使行进路径发生偏折，这种偏折会对发光体的位置产生可观测的变化。这就是爱因斯坦的广义相对论作出的几个理论预言之一——星光偏折现象。

虽然在广义相对论之前，爱因斯坦就通过光电效应的解释恢复了光的粒子性，并给出了光子的能量计算公式：E=hv（E为光子能量，h为普朗克常数，v为光子的频率），利用狭义相对论的质能公式E=mc^2就能得到光子的质量。光子有了质量就能通过牛顿的万有引力公式计算它被太阳引力吸引产生的偏折。但根据计算，两者预言的结果是不一样的，广义相对论所预言的星光偏折程度会更为严重。

在广义相对论作出预言三年后的1919年，英国物理学家爱丁顿通过对非洲日全食的观测，证明了广义相对论的正确性，他拍摄到的星光偏移程度与广义相对论的计算相当吻合，与牛顿万有引力理论的计算则存在较大的误差，广义相对论的空间弯曲理论大获全胜。

弯曲的时空囚笼——黑洞

在爱因斯坦给出广义相对论的引力场方程以后，德国天文学家史瓦西通过求解引力场方程，得到球对称、非旋转引力场下的一组精确解，其中得到一个著名的公式——史瓦西半径公式。

通过把一定质量代入这个公式能计算得到一个半径，这个半径称为史瓦西半径，其半径处的逃逸速度将刚好达到光速，牛顿时代的暗星重现了！而且你会惊奇地发现，它实际上跟变换后的逃逸速度的计算公式是完全一样的，只是把v换成了光速常数c。

虽然结果一样，但是，广义相对论根据史瓦西解半径公式所预言的这种天体跟牛顿万有引力理论根据逃逸速度公式预言的暗星是有着本质区别的。

根据牛顿理论，暗星上的光子发出后是会向外跑一段距离的，最终会因动能损失沿抛物线落回暗星表面，无法传播到无穷远处。但当你靠近一个表面逃逸速度刚好达到光速的暗星时，你是能看见部分向外非常，还没落回暗星表面的光子的。

而根据广义相对论，光子是由于空间的弯曲无法逃逸，在史瓦西半径处，光子的的传播方向是向内的，它根本不能向外传播，它没法离开其表面哪怕1纳米。可以认为，史瓦西半径处的空间弯曲得向内闭合了。

因此，科学家以史瓦西半径作为界限，称为事件视界，代表没有任何信息能从其内逃逸出来。而视界构成的一个光速无法逃逸的临界面称为视界面，这种特殊天体就是以视界面作为表面，后来美国物理学家惠勒给他起了一个形象的名字——黑洞。

黑洞现身——视界面望远镜阵列拍摄的黑洞照片

虽然，黑洞被视为广义相对论预言之一，但很长时间里并不被科学界多数人接受，包括爱因斯坦本人也不相信天体能坍缩到一个黑洞那样致密。不过随着天文观测的发展，越来越多的证据显示黑洞的存在，期间催生了史蒂芬霍金这样的专门从事黑洞研究的物理学家，并把黑洞理论成功地向大众科普。

现在，已经基本没有人怀疑黑洞的存在，在去年，人类就首次通过分布在全球的视界面望远镜阵列在亚毫米波段成功拍摄了黑洞的影像，拍摄的图像与根据广义相对论数值模拟的影像完全一致，再次不容置疑地证明了黑洞这种奇葩天体的存在。

争议——量子力学与广义相对论的黑洞之争

虽然黑洞的存在已经无可置疑，但对黑洞性质的探讨却还在继续。原因来自于广义相对论之外的另一基础物理理论——量子力学。

当人们把这一理论应用于黑洞的研究，奇怪的事情就发生了，首先是史蒂芬霍金通过把量子力学应用于视界边缘的弯曲时空时发现了弯曲时空存在的量子效应，从而提出了史蒂芬霍金辐射理论。而史蒂芬霍金辐射理论又引出了黑洞信息守恒问题，事件视界是否依然是事件视界成了问题。因此在前些年，史蒂芬霍金曾提出给黑洞更名，因为他证明黑洞会随着史蒂芬霍金辐射向宇宙归还信息，这样黑洞根本不黑，事件视界可能根本不存在。

当然，并没有人响应史蒂芬霍金的倡议，到今天，黑洞依然是黑洞。关于史蒂芬霍金辐射可以翻看我去年6月2日的文章：《史蒂芬霍金理论系列之三：史蒂芬霍金辐射》

原文地址：今日头条

形腿望舞

1919年日全食观察，是太阳大气对光的折射。不要用缪论寓弄人。