“暗星”–黑洞的一段簡史
2018年底,引力波觀測站LIGO宣布,他們探測到了有史以來最遙遠、最大規模的時空漣漪源:由一對黑洞在深空碰撞引發的引力波。自2015年以來,科學家們才得以觀察到這些看不見的天文體,當時只能通過它們的引力吸引來檢測。然後在2019年的一次突破中,事件地平線望遠鏡(EHT)首次捕捉到黑洞及其陰影的圖像。
人類尋找這些神秘物體的歷史可以追溯到18世紀,但關鍵階段發生在人類歷史上一個適當的黑暗時期–第二次世界大戰。
自然哲學家約翰·米歇爾和後來的皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在18世紀首次考慮了一個能捕獲光線的物體,從而使宇宙的其他部分看不見的概念。他們利用牛頓的引力定律計算了光粒子從一個物體中的逃逸速度,另外還預測了存在著密度大到光無法從其中逃逸的恆星。Michell稱它們為“暗星”。
但在1801年發現光以波的形式存在之後,人們不清楚光會如何受到牛頓引力場的影響,所以暗星的想法被放棄了。大概過了115年,阿爾伯特·愛因斯坦在1915年提出了廣義相對論,一年後卡爾·施瓦茨柴爾德解決了這個問題,這才使得科學家們了解到波的形式的光在引力場的影響下會有什麼表現。
另外,施瓦茨柴爾德還預測了一個天體的臨界圓周的存在–施瓦茨柴爾德半徑。據悉,由於其超過這個圓周所以導致光無法穿過。這個想法跟米歇爾的想法相似,但現在這個臨界周長被理解為一個不可逾越的障礙。
直到1933年,喬治·勒梅特才表明,這種不可穿透性只是遠方觀察者的一種錯覺。通過利用現在著名的愛麗絲與鮑伯的例子,這位物理學家假設,如果鮑伯站著不動而愛麗絲跳進黑洞,那麼鮑伯就會看到愛麗絲的影像變慢,直到在到達施瓦茨柴爾德半徑之前凝固。勒梅特還指出,在現實中,愛麗絲穿過了那道屏障。鮑伯和愛麗絲只是經歷了不同的事件。
儘管有這樣的理論,但在當時,還沒有任何已知的天體具有這樣的大小,甚至沒有任何東西接近於黑洞。因此,沒有人相信類似於米歇爾所假設的暗星的東西會存在。事實上,甚至沒有人敢於認真對待這種可能性–直到第二次世界大戰期間。
從暗星到黑洞
1939年9月1日,納粹德國軍隊入侵波蘭,進而引發了永遠改變世界歷史的戰爭的開始。值得注意的是,就在這一天,第一篇關於黑洞的學術論文被發表。J-羅伯特·奧本海默和哈特蘭·斯奈德這兩位美國物理學家發表的《論持續的引力收縮》這篇現在備受讚譽的文章則是黑洞歷史上的一個關鍵點。當考慮到二戰餘下時間在黑洞理論發展中的核心地位時,這個時間點顯得特別奇怪。
這是奧本海默在天體物理學方面的第三篇也是最後一篇論文。在這篇論文中,他和斯奈德預測了一顆恆星在其自身引力場的影響下持續收縮並形成一個具有強烈吸引力的天體–甚至連光都無法從它身上逃脫。這是現代黑洞概念的第一個版本,黑洞是一個巨大的天文體,只有通過其引力才能被探測到。
在1939年,這仍是一個奇怪的想法,它讓人無法相信。而直到這一概念發展到足以讓物理學家們開始接受奧本海默所描述的持續收縮的後果還需要二十年的時間。而二戰本身在其發展中起到了至關重要的作用,因為美國政府在研究原子彈方面進行了投資。
從灰燼中重生
當然,奧本海默不僅是黑洞歷史中的一個重要人物。他後來成為曼哈頓計劃的負責人,該研究中心帶來了原子武器的發展。
政治家們明白投資科學的重要性以便帶來軍事優勢。因此,從整體上看,在跟戰爭有關的革命物理學研究、核物理學和新技術的開發方面有著廣泛的投資。各種各樣的物理學家都致力於這種研究,而作為一個直接的後果,宇宙學和天體物理學領域大多被遺忘,這包括奧本海默的論文。
儘管大規模的天文學研究失去了十年,但物理學學科作為一個整體在戰爭中蓬勃發展–事實上,軍事物理學最終增強了天文學。美國在戰爭中成為現代物理學的中心。博士的數量急劇上升並建立了一個新的博士後教育傳統。
等到戰爭結束時,對宇宙的研究被重新點燃了。曾經被低估的廣義相對論也出現了復興。戰爭改變了我們做物理學的方式:最終,這帶來了宇宙學和廣義相對論領域得到了應有的認可。而這是接受和理解黑洞的根本。
隨後,普林斯頓大學成為新一代相對論者的中心。正是在那裡,後來普及了“黑洞”這一名稱的核物理學家約翰·惠勒第一次接觸到廣義相對論並重新分析了奧本海默的工作。起初他持懷疑態度,但在戰爭爆發的那一天即1939年9月1日,密切相對論者的影響、計算模擬的新進展及無線電技術的發展使他成為奧本海默預言的最大熱情者。
從那時起,黑洞的新屬性和新類型被理論化和發現,但所有這些在2015年才達到高潮。對黑洞雙星系統中產生的引力波的測量是黑洞存在的第一個具體證明。