黑洞简史:(三)黄金时代1:20世纪60年代的进展 不指定

positron , 2012/08/22 13:22 , 黑洞 , 评论(0) , 阅读(1653) , Via 本站原创 | |

就在费曼发表那段丧气话后不久,由于天文学的巨大发现,以及理论的突破,使暗星问题正式被学术界重视起来。

首先,早在费曼发表丧气话之前的1958年,美国物理学家David FinkelsteinCharles W. Misner发现引力结(Gravitational kink),并由此发现,史瓦西解中,在史瓦西半径处的奇性面是一个事件视界,即这个奇性面是一个单向膜,所有物体在这里只能朝一个方向运动:掉向黑洞中心。Finkelstein的结果虽然很奇怪,但并没有与早先的研究冲突,而且是对早先研究的巨大推进。

以此为开端,广义相对论以及黑洞理论在接下来的不到20年间,迎来了研究的黄金时代,这20年间,相关理论获得了极大进展,这一领域从费曼话中的“没有活力的领域”变成理论物理界的一个主流研究方向。这一研究高潮,可以说是研究顶点的、也是最为著名的恐怕是霍金辐射,这在后文还将详细说明。

史瓦西解是一个静态的球对称解,这个解太简单,实际中,天体一般都有自转,所以史瓦西解是不适用的。1963年,克尔(R. P. Kerr)得到了爱因斯坦引力场方程的另一个重要的精确解:稳态轴对称真空解。克尔解可以对转动星体的引力场进行描述,因此比史瓦西解具有更大的优势,更加符合实际。1965年,纽曼(Ezra Newman)得到更一般的精确解,可以描述既有自转又带有电荷的星体的引力场。接下来,1967年,Werner Israel等人证明了黑洞无毛定理(No Hair Theorem,这个定理是说,描述一个黑洞,只需要三个物理量,即:黑洞的质量M、黑洞的角动量J(对应黑洞的自转)和黑洞所带的电荷Q。也就是说,黑洞形成后,除了MJQ三个物理量外,其他所有信息都丢失了;而对掉入黑洞的物体,一旦进入事件视界,也只剩下这三个信息。

前文曾提到,在史瓦西解中,史瓦西半径处的奇点可以通过坐标变换而消去。但是,在R=0处,也就是星体中心的奇点,无法通过坐标变换消去。奇点的出现造成了无限大,而在物理上,或者说实际中,无穷大是不可接受的、无意义的。所以,一开始,学术界认为引力场方程解中的奇点是错误的结果,在实际中奇点不会出现,至少在广义相对论的框架下不会出现。例如,Vladimir BelinskyIsaak Khalatnikov Evgeny Lifshitz等人,就试图证明在一般解中绝不会出现奇点。但是,最早在1965年由英国著名数学家、物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)证明了奇性定理,而后,后来几乎家喻户晓的英国物理学家史蒂芬·霍金(Steven Hawking)也独立地、在不同的情形下证明了奇性定理(Penrose–Hawking singularity theorems)。奇性定理表明,如果广义相对论是对的,在一定的限制条件下(这些限制条件在我们的宇宙中是一定满足的),奇点必会出现,在奇点处,所有已知的物理定律失效。奇性定理打消了一些物理学家的念头,告诉我们必须接受奇点这个难以理解的东西。

理论上的进步大大促进了相关问题的研究,但这仍然难以让人相信这种奇怪天体的存在,认为这个奇怪东西只会在理论中存在。改变这一状况的来自于天文学方面,到20世纪60年代,恒星演化理论已经得到了巨大的进展,天文观测技术也得到大大发展。1967年,剑桥大学卡文迪许实验室的乔丝琳·贝尔(Jocelyn Bell)和安东尼·休伊什(Antony Hewish)发现脉冲星,而后,1969年,进一步的研究表明脉冲星是高速自转的中子星。在此之前,中子星和“暗星”一样,认为只存在理论中,而实际上不可能存在。而现在,中子星既然被证实是存在的,那么,“暗星”为什么不能存在呢?“暗星”并不比中子星极端多少。

在中子星的发现中,有着众多的趣味以及无奈。1967年贝尔正在休伊什的指导下攻读博士学位,7月份,她利用射电望远镜发现了非常有规律的脉冲信号,脉冲频率约每秒一次。这个信号一度被认为发现了外星人,并被起了一个很有趣的名字:小绿人Little Green Man),不过很快相关研究就给喜欢出新闻的媒体浇了冷水,证明这个信号来自预言中的中子星。之后,1974年,休伊什因为中子星的发现获得诺贝尔物理学家,但贝尔却没有享受到这一荣誉。实 际上,虽然休伊什是贝尔的导师,在发现中子星上,贝尔的贡献更大,贝尔不仅仅是脉冲信号的发现者,还主要负责了后期的主要工作,并且,在建造发现脉冲信号 的射电望远镜中,也有她的重要贡献。所以,有人认为,休伊什实际上是靠自己学生的成果获得了诺贝尔物理学家,甚至可以说是偷窃了贝尔的成果,1974年的诺贝尔物理学家没有授予贝尔是极其不公平的。

中子星的发现促使科学家开始相信暗星的存在,而早先对暗星的存在坚决反对的惠勒,在经过长期钻研后,也认识到奥本海默预言的暗星是可能存在的,并在1967年最终为暗星起了黑洞这个名字[]。从此,神秘的黑洞吸引了越来越多的关注,大量绝对聪明人对此进行了深入的思考,包括著名的英国物理学家霍金(Steven Hawking)。


注:广为流传的说法是,惠勒于1967年在一次公开讲座中创造了黑洞(Black Hole)一词来称呼这种奇怪的天体,不过,惠勒本人一直坚持并非他本人创造了这个词,甚至不是他本人首先用这个词称呼这种天体。惠勒表示,在那次讲座上,有人向作为主持人的自己提到了Black Hole这个词,惠勒感觉这个词非常朗朗上口,就跟着这么叫了。而据考证,不针对“暗星”,黑洞一词最早用于1756年发生在印度的一次历史事件:加尔各答黑洞(Black Hole of Calcutta)。不过,可以肯定的是,最终用黑洞称呼这种天体,是因为惠勒的原因,虽然惠勒不是这个词的创造者,但是惠勒使这个词流行起来。

http://www.worldwidewords.org/topicalwords/tw-bla1.htm

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参考资料:

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

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

http://en.wikipedia.org/wiki/Penrose%E2%80%93Hawking_singularity_theorems

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

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

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