黑洞让爱因斯坦纠结不已

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爱因斯坦对黑洞充满矛盾。

葛元芬

近日,人类首张黑洞照片面向全球同步发布,许多媒体评论称这张照片验证了理论物理学家爱因斯坦的百年猜想。然而,鲜为人知的是,事实上爱因斯坦对黑洞充满了矛盾,20世纪早期关于黑洞的推测直接来源于爱因斯坦1915年提出的广义相对论,但这位伟大的科学家却认为自己这个想法有点奇怪,无法在实际的宇宙中显现出来。

早在1784年,英国自然哲学家约翰·米歇尔在一封信中提出,宇宙中存在一种庞大到连光也无法逃脱的物体。他简单推算假设这样的天体可能与太阳密度相同,并且得出结论,当一颗恒星的直径超过太阳500倍、表面逃逸速度超过通常的光速时,这种天体就会形成。他还指出,这样超大质量但又不辐射的物体可能可以通过它们对附近可见物体的引力效应探测到。那个时代的学者起初对米歇尔的这一推断感到兴奋,但到了19世纪初,人们的热情明显减弱了。

在沉寂一百多年之后,历史将爱因斯坦推上了舞台。1915年是爱因斯坦(时年36岁)的多事之秋,欧洲大陆上第一次世界大战打得难解难分,他同妻子的婚变也令他焦头烂额,但在各种干扰下,他仍然专注于科学研究,向着他一生中最大的科学成就冲刺。他的妻子带着孩子离开他前往瑞士苏黎世后,他搬到了柏林市中心一个单身住所,屋子里没有什么家具,不过倒很宽敞,他可以饿了就吃、困了就睡,把大量时间花在研究上。这一年整个夏季和秋季,爱因斯坦都在苦思冥想,在经历无数弯路之后,11月,他在普鲁士科学院的演讲中提出了爱因斯坦场方程,这些方程说明了空间几何形状和时间如何受任何物质和辐射的影响,这构成了广义相对论的核心。广义相对论预测黑洞的形成,只要物体质量与半径之比变得足够大,在那片空间内没有任何东西甚至连光也无法逃逸。

爱因斯坦用广义相对论解释宇宙震惊世界,广义相对论为黑洞的发现铺平了道路。但由于黑洞过于奇幻,在20世纪早期,即使科学幻想家也无法想象黑洞存在。不仅如此,事实上,爱因斯坦本人也并非真的相信黑洞存在,他假定黑洞只是伪影。德国理论物理学家卡尔·史瓦西利用广义相对论描述这种假设情况,他解算出,当中心物体的质量密度超过一个特定极限时,它会触发一种引力崩塌,如果这发生在球形对称的情况下,就会产生“史瓦西黑洞”。但是,令人不解的是,爱因斯坦坚持认为真实的宇宙中不可能有黑洞。20世纪20年代,他在写给多名法国物理学家的信中直接否定了某些东西会达到无限密度点、甚至捕捉到光的观点。

20世纪30年代初期,年轻的印度天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡认识到,如果一颗巨大的恒星耗尽了燃料,它就无法平衡自身重力,物质便会向内塌陷,导致时空崩塌,这个理论拉近了数学假设与科学可能性之间的差距。但是,爱因斯坦仍然认为这样的物体不可能存在,他多次否定黑洞形成的可能性。有评论称,爱因斯坦在这方面固执己见对一些人来说是个沉重打击,他的顽固基于基本的哲学态度差异,正是这种差异把爱因斯坦同年轻一代人分隔开来。例如,德国理论物理学家马克斯·玻恩表示,他感到自己属于年轻一代,虽然他只比爱因斯坦小3岁。

1939年,爱因斯坦在美国顶尖数学杂志《数学年鉴》发表著名论文,他宣布所谓黑洞的猜想“缺乏说服力”,这种现象并不存在于真实的宇宙中。为此,他构造了一个很不自然的静态黑洞模型。通过这个不切实际的模型,他得出结论,一颗恒星崩塌会越来越快地旋转,以无限能量的光速旋转,远早于它成为“史瓦西奇点”(黑洞)的时刻,“我们可以通过这项研究清楚地看到,为何‘史瓦西奇点’不存在于物质现实中”。科学界普遍认为,爱因斯坦的这些结论是错误的。

就在爱因斯坦发表“黑洞否定说”同一年,美国理论物理学家罗伯特·奥本海默和他的学生哈特兰德·斯尼德发表一篇关于持续引力的论文,预言了黑洞的存在。爱因斯坦肯定知道奥本海默和斯尼德对耗尽燃料的巨大恒星坍缩成黑洞的计算,但他从未对此作出回应。1947年,奥本海默来到普林斯顿高等研究院担任院长,作为该院常驻学者的爱因斯坦经常能见到他,但是,爱因斯坦却从未同他谈起过黑洞话题。

1955年4月18日,爱因斯坦在普林斯顿医院去世。但直到去世为止,爱因斯坦一直不相信宇宙中有黑洞,他为何提出了广义相对论又不相信黑洞真实存在呢?这成了一个历史疑团。美国国家航空航天局评价道,爱因斯坦不相信黑洞存在,但他的理论却暗示它们存在,他应该相信自己的理论,黑洞真实存在。▲


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