王雅靜

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一個多世紀以前，愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞的存在。從那時起，黑洞的奇異和謎一般的特性便激起了科學家和大眾的好奇心。近期，天文學家召開全球新聞發(fā)布會，宣布首次直接拍攝到黑洞的照片。黑洞成為物理學研究的重要課題，黑洞的行為、對周圍物質的影響、背后的物理學原理，比任何科幻小說都更離奇古怪和令人費解?！逗诙粗畷吩诤喴榻B狹義相對論和廣義相對論之后，從天體和理論實驗室的角度介紹了物理學家利用黑洞檢驗引力理論、量子理論和熱力學的情況。以下便是本書作者為愛因斯坦寫的一封信。

我們不相信時間旅行，也不熱衷神秘主義，但如果我們能給阿爾伯特-愛因斯坦寫一封信，用幾段文字告訴他關于引力和黑洞的研究進展，我們會這樣寫：

親愛的阿爾伯特，

你是最出色的。人人都知道的物理學方程就是E=mc2。《時代周刊》將你評選為“世紀人物”。關于愛因斯坦的笑話再也沒人講了，因為每個人都知道那并不好笑。盡管我們已經擁有了許多核武器，但是我們還沒把自己炸飛。事實上，在“二戰(zhàn)”結束前投擲的那兩顆原子彈是核武器僅有的一次用于殺戮的目的。

如今，我們對廣義相對論和黑洞更感興趣，因為巨大的LIGO探測器成功探測到發(fā)生在10多億年前的一次黑洞碰撞發(fā)出的引力波信號。我們寫了一本有關黑洞的書，因為我們知道你對施瓦西解非常感興趣，但或許對它的物理意義不太確定，所以我們想告訴你，在你離世后的60多年中的一些相關進展。

在施瓦西解里存在一個事件視界。一旦你穿過它，除非你的速度超過光速，否則你就再也回不來了。如果你還記得施瓦西解的形式，當半徑等于質量乘以牛頓引力常數的時候，它就會表現(xiàn)出一些奇異性，尤其是度規(guī)的時間項（我們現(xiàn)在稱之為時移函數）消失了，那是事件視界的地方。當半徑趨于零時，施瓦西解也會表現(xiàn)出奇異性，我們最好的理解就是這些奇異性標志著一個時空奇點，空間幾何在那里失效了。如果你進入一個施瓦西黑洞，你肯定會碰到奇點，但我們不知道接下來會發(fā)生什么，甚至用“接下來”這個詞是不是合適，也值得商榷。

我們多么希望你能看到在你過世后的20多年里廣義相對論研究工作的進展。約翰-惠勒是其中的核心人物。（我們跟他熟識！他和我們同在普林斯頓大學直到2008年他離開這個世界。）他讓“黑洞”這個描述施瓦西解及其度規(guī)的詞變得流行。—位名叫羅伊-克爾的新西蘭人找到了施瓦西度規(guī)的一般化形式，用于描述旋轉黑洞。這是一個相當復雜的度規(guī)！而且重要的是，它描述了拼縮恒星的終態(tài)，它們總有一些非零的角動量。

我們現(xiàn)在十分確信宇宙中有很多黑洞。像錢德拉塞卡、托爾曼、奧本海默和沃爾科夫等人早在20世紀30年代就說過，如果你把太多的質量放到一起，那么沒有什么能夠支撐住它們。具體的數字難以估算，但如果一顆恒星在核燃料耗盡后還剩下3倍的太陽質量，那么它將會坍縮成一個黑洞。更令人驚奇的是，在星系中心還有更大的黑洞。銀河系中心就有一個約為400萬倍太陽質量的黑洞。我們沒有開玩笑！現(xiàn)代的觀點一致認為許多星系的中心都有很大的黑洞，甚至達到幾十億倍的太陽質量。我們現(xiàn)在尚不清楚這些黑洞是怎么形成的，但就銀河系而言，通過觀測一些恒星的軌跡和黑洞的引力效應，我們確信它的中心存在黑洞。

LIGO探測到引力波實在是一項了不起的成就。LIGO是一臺巨大的邁克爾遜干涉儀，每條干涉臂有4千米長。LIGO的全稱是激光干涉引力波天文臺。就激光本身而言，它是神奇的單色光源，聚焦好、功能強，我們可以用它們來焊接金屬。與此同時，它很便宜，我們在現(xiàn)代唱片機上用它們取代針頭。盡管我們還沒能制造出會飛的汽車，但激光已被廣泛使用。

總之，當時建造LIGO就是出于嚴謹的科學目的，并偶然捕捉到正好經過的完美的引力波，它們的波形與描述兩個黑洞合并的模板相匹配，每個黑洞都約有30倍的太陽質量。全世界再次為廣義相對論而折服，因為它成功描述了黑洞附近的強場區(qū)域，在那里時空被撕扯成碎片;它也描述了遠場區(qū)域，在那里引力波是穿越時空的最微弱的聲音。（未完）