王雅靜

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一個(gè)多世紀(jì)以前，愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了黑洞的存在。從那時(shí)起，黑洞的奇異和謎一般的特性便激起了科學(xué)家和大眾的好奇心。近期，天文學(xué)家召開全球新聞發(fā)布會(huì)，宣布首次直接拍攝到黑洞的照片。黑洞成為物理學(xué)研究的重要課題，黑洞的行為、對(duì)周圍物質(zhì)的影響、背后的物理學(xué)原理，比任何科幻小說(shuō)都更離奇古怪和令人費(fèi)解?！逗诙粗畷吩诤?jiǎn)要介紹狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論之后，從天體和理論實(shí)驗(yàn)室的角度介紹了物理學(xué)家利用黑洞檢驗(yàn)引力理論、量子理論和熱力學(xué)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(shí)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(guān)于引力和黑洞的研究進(jìn)展，我們會(huì)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(xué)方程就是E=mc2?！稌r(shí)代周刊》將你評(píng)選為“世紀(jì)人物”。關(guān)于愛因斯坦的笑話再也沒人講了，因?yàn)槊總€(gè)人都知道那并不好笑。盡管我們已經(jīng)擁有了許多核武器，但是我們還沒把自己炸飛。事實(shí)上，在“二戰(zhàn)”結(jié)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(duì)廣義相對(duì)論和黑洞更感興趣，因?yàn)榫薮蟮腖IGO探測(cè)器成功探測(cè)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(hào)。我們寫了一本有關(guān)黑洞的書，因?yàn)槲覀冎滥銓?duì)施瓦西解非常感興趣，但或許對(duì)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(guān)進(jìn)展。

在施瓦西解里存在一個(gè)事件視界。一旦你穿過(guò)它，除非你的速度超過(guò)光速，否則你就再也回不來(lái)了。如果你還記得施瓦西解的形式，當(dāng)半徑等于質(zhì)量乘以牛頓引力常數(shù)的時(shí)候，它就會(huì)表現(xiàn)出一些奇異性，尤其是度規(guī)的時(shí)間項(xiàng)（我們現(xiàn)在稱之為時(shí)移函數(shù)）消失了，那是事件視界的地方。當(dāng)半徑趨于零時(shí)，施瓦西解也會(huì)表現(xiàn)出奇異性，我們最好的理解就是這些奇異性標(biāo)志著一個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)，空間幾何在那里失效了。如果你進(jìn)入一個(gè)施瓦西黑洞，你肯定會(huì)碰到奇點(diǎn)，但我們不知道接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么，甚至用“接下來(lái)”這個(gè)詞是不是合適，也值得商榷。

我們多么希望你能看到在你過(guò)世后的20多年里廣義相對(duì)論研究工作的進(jìn)展。約翰-惠勒是其中的核心人物。（我們跟他熟識(shí)！他和我們同在普林斯頓大學(xué)直到2008年他離開這個(gè)世界。）他讓“黑洞”這個(gè)描述施瓦西解及其度規(guī)的詞變得流行?！幻辛_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(zhuǎn)黑洞。這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)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(dòng)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(jì)30年代就說(shuō)過(guò)，如果你把太多的質(zhì)量放到一起，那么沒有什么能夠支撐住它們。具體的數(shù)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(yáng)質(zhì)量，那么它將會(huì)坍縮成一個(gè)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(gè)約為400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。我們沒有開玩笑！現(xiàn)代的觀點(diǎn)一致認(rèn)為許多星系的中心都有很大的黑洞，甚至達(dá)到幾十億倍的太陽(yáng)質(zhì)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(guò)觀測(cè)一些恒星的軌跡和黑洞的引力效應(yīng)，我們確信它的中心存在黑洞。

LIGO探測(cè)到引力波實(shí)在是一項(xiàng)了不起的成就。LIGO是一臺(tái)巨大的邁克爾遜干涉儀，每條干涉臂有4千米長(zhǎng)。LIGO的全稱是激光干涉引力波天文臺(tái)。就激光本身而言，它是神奇的單色光源，聚焦好、功能強(qiáng)，我們可以用它們來(lái)焊接金屬。與此同時(shí)，它很便宜，我們?cè)诂F(xiàn)代唱片機(jī)上用它們?nèi)〈橆^。盡管我們還沒能制造出會(huì)飛的汽車，但激光已被廣泛使用。

總之，當(dāng)時(shí)建造LIGO就是出于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)目的，并偶然捕捉到正好經(jīng)過(guò)的完美的引力波，它們的波形與描述兩個(gè)黑洞合并的模板相匹配，每個(gè)黑洞都約有30倍的太陽(yáng)質(zhì)量。全世界再次為廣義相對(duì)論而折服，因?yàn)樗晒γ枋隽撕诙锤浇膹?qiáng)場(chǎng)區(qū)域，在那里時(shí)空被撕扯成碎片;它也描述了遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，在那里引力波是穿越時(shí)空的最微弱的聲音。（未完）