正文 第一章 黑洞概念的發展史(1 / 1)

被人遺忘的拉普拉斯黑洞

1796年,拉普拉斯首先提出黑洞的想法。他最初的這種冥想是建立在牛頓引力理論和現在已被否定了的牛頓關於光的微粒理論的基礎上。牛頓認為光是一種很小的粒子式微粒,其性質類似於非常小的彈子球。拉普拉斯認識到這種微粒不可能從一個質量充分大的天體表麵上逃逸出來。他把這種質量極大的天體稱為“暗黑天體”,他很想知道宇宙太空中是否充滿著這種天體。也許它們像恒星那樣多吧?但是,沒有任何辦法來驗證他的想法,於是這種觀念便隱沒於書庫之中,不再為人引證和研究。

黑洞的概念

在這裏還要稍微提一下,黑洞的整個概念是一個偉大的法國數學家拉普拉斯早在1789年就預見到了。它把光當作一束小微粒流,用牛頓的引力理論計算出這個結果:如果一個天體的密度或質量大到一定程度,它就看不見了,因為光都不能快到足以逃離其表麵。嚴格地說,拉普拉斯的概念不同於愛因斯坦從“相對論”中得出的理論,但帶來了同樣的結果。而且,甚至在牛頓的理論中也能找到有類似黑洞存在的可能性,這是十分有趣的。要說洞是空間的一個區域,裏麵的逃逸速度大於光速,也不是完全不對的。這是對黑洞的粗略的觀察,但或許能使黑洞這個概念變得更容易理解。

有了這些概念後,現在讓我們強調一下黑洞本身不是一個固體,它是空間的一個區域,物質能落進去,而出不來。但這些物質並非完全充滿了整個洞的內部。事實上它們根本不會有任何體積。物質的引力場首先使黑洞形成,但當物質一旦處在視界之內時,對黑洞的大小就絲毫不發生影響。黑洞的大小取決於視界內的物質總量,而不是它占有的體積。在這裏我們又一次碰到了難以令人相信的然而必須接受的情景。

顯然接下來要問:“如果你不斷地向黑洞中注入物質,那麼,黑洞中最終不是要裝滿了直到物質的表麵超過史瓦西半徑為止?”這個問題看來好像很合乎邏輯,但在研究黑洞時,日常經驗是不能用來做指南的。讓我們重複一遍,黑洞的大小取決於內部物質的總量。如果我們不斷地向黑洞裏麵扔進物質,黑洞就變大,它的胃口,就如同所得稅收集器那樣貪得無厭。吞下越多,就變得越大,照理論上來說我們要不斷地“喂”它,一直到把整個宇宙中的物質都消化了,可是它的本性還是沒有改變,它仍然是個黑洞,雖然確實成了一個大黑洞。

愛因斯坦相對論與現代黑洞觀念

一個點狀體周圍的區域會是什麼樣的空間呢?在愛因斯坦引力理論問世後不久,德國物理學家史瓦西對此進行了研究。就這樣,他發現了這種標準黑洞可以作為模型世界中的一員,但是,同以前的拉普拉斯一樣,他也不知道這樣一種天體實際上能否存在。這個問題直到1939年才得以確定,當時奧本海默和一位學生斯奈德爾共同證明了一顆冷卻的、質量非常大的恒星必然要無限坍縮而變成一個黑洞。他們這個研究工作與奧本海默-沃爾柯夫關於中子星的論文差不多是同時的,而且得到大致相同的結論:黑洞可能存在。就是說,黑洞可能是真實的天體,而不隻是人們利用愛因斯坦理論而作的一種數學遊戲。60年代,人們對愛因斯坦廣義相對論的興趣又複活了,黑洞問題得到了細致的研究,並且闡明了它們的詳細性質。

這段曆史有些類似於中子星研究的早期曆史。這兩類恒星殘骸首先都被作為理論上的天體而了解的。有關它們的研究工作在60年代以前都開展得非常少。在60年代,由於天文觀測手段的進展,對於它們的興趣再度興起,使得它們得到更加深人的研究。遺憾的是,發現黑洞比發現脈衝星要更為困難,下麵很快就會明白這一點。

黑洞和愛因斯坦引力理論是非常緊密地聯係在一起的。人們不能利用牛頓引力理論來描述黑洞,即使是非常粗略的描述也不行。這是因為隻有在引力很微弱以及速度很低的情形下,牛頓理論才適用。人們要認識一個被拋在空中的棒球的運動軌跡時,牛頓理論是可以應用的。但是,在黑洞表麵附近,廣義相對論的效應占有主導地位。

倘若黑洞真的是同愛因斯坦理論緊密相關,人們自然有理由可以提出疑問:愛因斯坦理論如果是錯誤的,那麼情形又是如何?愛因斯坦理論無疑是正確的引力理堆,它幾乎為所有從事研究工作的物理學家所接受。而且愛因斯坦理論的大多數競爭者實際上隻是修改這個理論,他們對於引力的描述隻是在細節上不同於愛因斯坦的廣義相對論,觀念上卻沒有什麼實質性的區別。實驗幾乎排除了所有替代的引力理論。那些對愛因斯坦理論的基本框架添加一點附加效應的其它理論充其量對論題隻是引起微小的變化,它們產生的黑洞,實質上同這裏描述的黑洞是相同的。有一種幾乎已被觀測否定的理論:羅森的“雙度規”引力理論。它和愛因斯坦理論很不相同,它不產生黑洞。