黑洞简史:(二)基于广义相对论的初步预言 不指定

positron , 2012/08/17 10:09 , 黑洞 , 评论(0) , 阅读(1990) , Via 本站原创 | |

历史总是充满巧合,200多年前,因为历史巨人牛顿的观点,而且还是不能说正确的观点,由其他人,而非牛顿本人,得出了可能存在“暗星”的观点。200多年后,又一次出现历史巨人爱因斯坦,同样由其他人根据爱因斯坦的理论,得出类似的观点。

暗星问题沉寂了200多年后,1915年,爱因斯坦提出了广义相对论(General RelativityGR),并给出了引力场方程,这是一个比牛顿的引力理论更加精确的引力理论,并且表明,引力场会对光的运动产生影响,“暗星”的存在再次有了理论基础。

在爱因斯坦提出GR后不久,德国数学家、天文学家史瓦西(Karl Schwarzschild)就求得了Einstein引力场方程的第一个严格解。史瓦西是一位很有建树的科学家,在物理学和天文学方面都有成就,曾任哥廷根大学教授和哥廷根天文台、波茨坦天文台台长。而给出爱因斯坦引力场方程的史瓦西解,又赋予史瓦西了一些传奇色彩。1914年,第二次世界大战爆发,虽然已经年过40,史瓦西仍然参加了德军,而且达到炮兵上尉的军衔。正是在俄国战场前线,史瓦西得到了引力场方程的第一个精确解,并在19151222日将结果寄给了爱因斯坦。爱因斯坦对史瓦西的结果极为赞赏,特别是之前爱因斯坦本人只得到了引力场方程的近似解,并以此对水星的近日点进动进行了解释。爱因斯坦在回复给史瓦西的信中说:

I have read your paper with the utmost interest. I had not expected that one could formulate the exact solution of the problem in such a simple way. I liked very much your mathematical treatment of the subject. Next Thursday I shall present the work to the Academy with a few words of explanation.

在爱因斯坦的协助下,史瓦西的论文发表在普鲁士科学院的会刊上,但遗憾的是,史瓦西自己没有看到他的伟大成果的发表,当时,他已经因病在俄国前线逝世。当然,虽然在俄国前线的战火中,而且身染重病,科学研究仍然给史瓦西了很多快乐,就像他在给爱因斯坦的信中提到的:

As you see, the war treated me kindly enough, in spite of the heavy gunfire, to allow me to get away from it all and take this walk in the land of your ideas.

瓦西解描述了一个静止的、不带电的、球对称的天体外部的引力场,或者说是其外部时空的弯曲情况,通常称之为史瓦西外部解或史瓦西度规。著名物理学家史蒂 芬·霍金在写那边后来比据说比麦当娜的写真集还畅销的《时间简史》时,出版社告诉他,书里不能有公式,公式越多,读者就越少。虽然有这么一个忠告,这里, 我还是想列出史瓦西解,各位读者无需费神它是怎么来的,只关注与本文有关的信息即可。

    

由右边第一项和第二项的系数,很明显,这个解存在两个奇点(分母等于零,无意义),分别是:12。(定义:,现在称   为史瓦西半径)。对    的奇点,即为星体的中心,这里略过。对 的奇点,因为的球对称解,实际上这是一个球面,所以这是一个奇面。当时科学家无法理解这个奇面的存在,1924年,爱丁顿(Arthur Eddington)发现,这个奇点可以通过坐标变换而消除,但直到1933年,才通过比利时物理学家勒梅特(Georges Henri Joseph Édouard Lemaître)的研究了解到,史瓦西半径处的奇点是一个非物理的坐标奇点。有意思的是,勒梅特也曾参加过一战,并且和史瓦西一样,担任过炮兵军官。另外,勒梅特还有另外一个为人熟知的贡献:他是大爆炸理论的最早提出者。

细心的读者可能已经发现,这里给出的史瓦西半径,正是前文提到的,拉普拉斯根据牛顿理论得到的暗星半径。史瓦西解正是根据广义相对论给出黑洞半径的正确推到过程。另外,史瓦西不是关于这个问题的唯一贡献者,著名物理学家洛伦兹的一个学生,Johannes Droste,稍晚于史瓦西也得到了引力场方程的史瓦西解,不过,早到早得,现在,这个成就基本上完全算在史瓦西的身上。

虽然史瓦西的结果给出了现在通常认为的黑洞半径,但当时并没有将史瓦西的结果和暗星问题联系到一起。使暗星问题重新得到关注与研究的,是印度天文学家钱德拉塞卡(Chandrasekhar)和美国物理学家奥本海默(J. R. Oppenheimer)等人的贡献。

1930年, 钱德拉塞卡在由印度前往英国求学的途中,计算发现,当电子简并态物质的质量超过某一极限,即现在所说的钱德拉塞卡极限,电子简并压将无法抗衡强大的引力, 星体将会塌缩。不过,他的观点受到当时多个知名物理学家的反对,包括爱丁顿、朗道等人,特别是爱丁顿,更是极力反对钱德拉塞卡的结果,更是于1935年在一次公开的学术会议上狠狠地羞辱了钱德拉塞卡。

爱丁顿和朗道等人的反对在一定程度上是对的,因为很快,在1932年,查德威克发现中子,朗道因此预言了存在完全由中子组成的天体,即中子星。1934年, 在美国威尔逊天文台工作的天文学家沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基提出(瑞士天文学家弗里茨·兹威基最为人熟知的成就是他最早提出了可能存在暗物质的观 点),中子简并压可以抵御质量超过钱德拉塞卡极限的天体的引力,从而使天体避免塌缩。这个结果支持了爱丁顿和朗道等人对钱德拉塞卡的反对,不过,正如前面 所说,他们只是在一定程度上是对的,进一步的研究再次为天体的塌缩找到了依据。

1939年,奥本海默(J. R. Oppenheimer)等人发 现,与白矮星的处境类似,当星体的质量大于某一极限时,即当前所说的奥本海默极限,中子简并压同样将无法抗衡强大的引力,从而会引起星体的塌缩。同时,因 为没有任何力量阻止星体的塌缩,星体将无限塌缩下去。奥本海默等人发现,星体塌缩后,在史瓦西半径处有奇怪的性质,在那里时间被冻结,在这个半径之内,即 使是光,也无法逃脱引力的束缚。

但是,奥本海默的暗星理论提出后,并没有得到学术界的重视,不少物理学家不相信真会存在暗星,甚至是爱因斯坦本人,至死也不承认暗星存在的可能性。而黑洞black hole)一词的发明者,美国物理学家惠勒(J. A. Wheeler),开始时同样坚决反对暗星的可能存在。

上述情况一方面也由于当时整个学术界对引力和相对论的研究处于低潮。如著名的美国物理学家,1965年诺贝尔物理奖获得者理查德·费曼(R. P. Feynman)于1962年参加了在华沙举行的广义相对论与引力研讨会后,说了这么一段话:

  

我没有从会上获得任何东西。我什么也没有学到。因为没有试验,这是一个没有活力的领域,几乎没有一个顶尖的人物来做工作。结果是一群笨蛋(126个)到这儿来了,这对我的血压很不好。[注]

但是,正所谓物极必反,或者说是黎明前的黑暗,接下来将看到,在之后的约20年间,相关研究得到了极大的突破,极大地改变了人们的观点。


注:这段话引自北京师范大学赵峥老师《广义相对论基础》的序言,我没找到原始的出处,如有相关信息,还望告知,非常感谢!
————————————————————————————
       参考资料:
       http://en.wikipedia.org/wiki/Karl_Schwarzschild

http://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole

发表评论

昵称

网址

电邮

打开HTML 打开UBB 打开表情 隐藏 记住我 [登入] [注册]