本文由圈友：云淡风清 推荐 百年树人
上个月，2015年11月，是爱因斯坦发表广义相对论一百周年；而这个月，是黑洞概念提出一百周年。为什么这两个日期如此接近？那是因为整整一百年前，有一个人在星空与战火之下，偶然与广义相对论邂逅……
(1) 《星际穿越》的观众应该都还记得，当男主角最终陷入大麻烦无法解决时，来自未来的神秘力量将他抛入黑洞，在那里，他终于解开了困惑多年的秘密……黑洞，几乎是科幻小说或电影中从不缺席的元素。作为一类极为神秘和特殊的天体，它的质量、密度和引力都大到不可思议，能够吞噬从它身边经过的一切物体，包括光线??也正因为如此，它才被称之为“黑洞”。黑洞仿佛守护着宇宙深处最深邃、最黑暗的秘密，激发着科学家、艺术家和科幻爱好者的无限遐想。
可是，如果连光线也不能从黑洞中逃逸，如果黑洞永恒黑暗、永不可见，那么又是谁最早发现了黑洞呢？??那个独自凝视了宇宙深渊的人，是一位不太出名的德国科学家：卡尔?史瓦西。他的一生极为短暂，年仅42岁就饱受战争和疾病的折磨，匆匆离世；但是，他生命的最后几个月，因为与爱因斯坦和广义相对论的神秘邂逅而迸发出炫目华彩，那一线火光，引领人类向宇宙深处投下了匆匆而深邃的一瞥。
(2) 卡尔?史瓦西，1873年10月出生于德国法兰克福一个富裕的犹太家庭。他很小就表现出了对于科学的强烈兴趣和天赋，在16岁那年就发表了两篇关于行星运动的论文。
从1891年到1896年，史瓦西先后在斯特拉斯堡大学和慕尼黑大?求?，主攻天文学，并于1896年获得博士学位。此后，他在天体运动以及光学领域都取得一系列重要发现，逐渐获得当时德国科学界的注意。1909年，他被任命为一所天文台的台长，随后又成为了普鲁士科学院会员。
至此，史瓦西的人生之路看似毫无意外，是一个中规中矩的天才科学家兼宅男。但是，历史的洪流往往毫不留情地裹挟冲击着个人生命的轨迹。1914年，第一次世界大战爆发，年逾40的史瓦西应征入伍。他很快被指派到俄国前线，从事导弹轨迹的计算工作。
一战的血腥自不待言，对于一个41岁的“高龄”战士来说，也许此刻最该关心的问题是如何保存生命，活着回到家乡。但是，战争并不能打消史瓦西对科学研究的兴趣，在炮火纷飞的前线，他还在阅读欧洲最新的物理学期刊和论文！终于，1915年11月，也就是整整一百年前，在遥远的俄罗斯，史瓦西读到了爱因斯坦刚刚发表的广义相对论论文。
(3) 广义相对论到底说了些啥？这恐怕不是这篇小文有能力探讨的问题。不过，简而言之，爱因斯坦在这篇论文里提出了引力和时空的全新概念，颠覆了人类自牛顿以来对于世界的认识。大家在中学物理课上都学过牛顿的万有引力公式：引力与物质的质量成正比，与距离的平方成反比。??这个公式简洁明了地解释了当时人们所能观测到的一切运动，下到苹果落地，上至天体运转，无所不包，精确至极，以至于在牛顿身后，不少物理学家认为人类对世界真理的探索已接近尾声。
但是，中学物理课堂的你，是否曾暗暗揣测过这样一个问题：万有引力到底是什么？它看不见，摸不着，又是怎样把太阳、地球、苹果乃至万事万物连接起来的呢？??这是牛顿的万有引力学说没有回答的一个问题。而在广义相对论中，爱因斯坦创造性地提出了对于时空的全新认识，从而深刻揭示了引力的来源。
爱因斯坦认为，我们所生活的三维空间和一维时间，可以看作一个统一的时空整体（Spacetime）。时空体原本是平滑的（如下图一），如同一张平整的薄膜；但是，一旦物质“现身”其中，其质量就会造成时空体的扭曲，如同我们在薄膜上放置一个球体，就会看见薄膜凹陷弯曲一样。物体的质量越大，所造成的时空扭曲就越剧烈。像太阳这样一个质量巨大的天体所造成的时空扭曲是如此之大，以至于地球不得不在弯曲的时空中围绕太阳运转，正如在薄膜上，小球会沿着“凹陷”围绕大球旋转一样（参见注释）。在广义相对论中，爱因斯坦以引力场方程描述了这种奇异的时空弯曲现象。
空间和时间居然会因为质量而“弯曲”？这个想法颠覆了人类的日常经验，当时的很多科学家对这个新观点半信半疑。直到四年以后（1919年），由英国科学家爱丁顿领导的日食观测证实了爱因斯坦的一系列预言，广义相对论才得到了广泛认可。
(4) 回到炮火连天的一战战场。1915年11月，史瓦西在俄国前线偶然读到了爱因斯坦刚刚发表的论文，卓越的科学素养使他不仅立即理解了广义相对论，还着手把爱因斯坦的理论推进到了新层面。史瓦西设想，如果质量能造成时空的弯曲，那么，当物体的质量极大而体积极小的时候，也就是说，当物体的密度大到超过某一个临界点，它所能造成的时空扭曲是如此剧烈，以至于好像在时空中造成了一个“陷阱”（如下图），如同一个沉重的铁球会在薄膜上造成一个深深的凹陷一样：任何其他物体，包括光，一旦进入这个陷阱，都将深深陷落，不可能逃逸，这就是黑洞。??实际上，广义相对论的引力场方程是如此复杂，以至于爱因斯坦本人在当时都只是得到了一些近似解，而史瓦西却在读到论文后的一个月内，就给出了“黑洞”概念作为方程的一个精确特殊解，从此，黑洞也被称为引力场方程的 “史瓦西解”。
史瓦西在前线完成了论文，把它寄给了远在德国的爱因斯坦。爱因斯坦的惊喜可想而知，他在给史瓦西的回信中热情洋溢地写道：我从来未曾想到，有人能以如此简洁的方式解出方程。??这种智力上的默契，使得爱因斯坦立即为史瓦西联系发表论文。可惜的是，史瓦西没有能等到论文发表的那一天??他在前线感染了一种极为罕见、痛苦的免疫系统疾病，在1916年年初与世长辞。此时，距离他提出黑洞假说还不足两个月。他所遗留的论文，也不得不由爱因斯坦代为向普鲁士学会发布。??这两位素未谋面的伟大科学家之间的君子之谊，也成为了 科学史上的一段传奇。
(5) 正如前面所说，广义相对论本身也花了不少年才逐渐被主流科学界理解和认可，而从其中衍生出的黑洞概念，则显得更为奇特和怪异??按照史瓦西的计算，如果太阳要成为一个黑洞，那么必须把它的全部质量都压缩到纽约上曼哈顿这样大小的一块区域里去。这种天体听起来是如此荒谬，如此不可思议，以至于在史瓦西的论文发布之后，它也一度被认为只是艰涩高深的数学游戏，不可能是实际存在。
不过，人类总是低估宇宙的不可思议。随着天体物理学的迅速发展，越来越多来自宇宙深处的观测证实了史瓦西计算出的质量和密度大到不可思议、造成时空极端扭曲、吞噬一切的黑洞，确实是客观存在的。更多的研究还表明，黑洞可能还具有许多不可思议的神秘属性，比如对时间的改变：由于黑洞深刻扭曲了时空，在黑洞“势力范围”之内，时间流逝得极为缓慢。如果有谁能够去黑洞“附近”呆几秒钟，再回到正常世界，可能数万年就已经过去了。??在刘慈欣的《三体》第三部大结局中，陈心因为飞行器的阴差阳错而抵达了数百万年后的未来，应该也是受到黑洞“时空旅行”的启发。近年来，更有科学家提出，在黑洞深处的“奇点”，质量无穷大，体积无穷小，这不就像是大爆炸开始前那个宇宙的“奇点”么？科学家因此推测，每一个黑洞，可能就是一个宇宙的摇篮；如果能穿过黑洞，我们就能前往另一个宇宙。
当然，这一切关于黑洞的研究和讨论，史瓦西本人都看不到了。残酷的战争耗尽了他的健康，也耗尽了他短暂的生命。但是，如果没有他在炮火纷飞的战壕里凝视星空，人类也许至今还没有发现星光背后的神秘深渊。在生命的最后几个月里，他以不可思议的方式向世人揭示，我们所熟知的世界是如此美妙，如此神奇，远超任何人的想象。
下图是NASA所公布的英仙座星系中心区域的一张观测照片。科学家相信，在该星座接近中心的位置，应该就存在着一个质量极为惊人的黑洞。在黑洞被人类“看见”百年之际，让我们随着史瓦西的目光，凝视深渊，凝视宇宙最深处的秘密。
附注：本文中关于广义相对论、黑洞的科普知识与解释插图，来自物理学家Brian Greene所著<The Elegant Universe>。因篇幅和本人知识水平所限，这里的介绍极为粗略，如有谬误，欢迎不吝赐教；同时，也强烈推荐阅读Brian Greene的原著，书中对于狭义相对论、广义相对论、量子力学、弦理论、大一统理论，都有深入浅出且妙趣横生的介绍。 ---------------------
| 
发表于 2016-8-2 14:47:01
