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闲话烟雨/史瓦西解\白头翁

2020-11-26 04:24:23大公报
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  黑洞的发现颇富戏剧性。

  当爱因斯坦提出广义相对论的引力方程时,这个非线性的方程是广义相对论的核心,但在数学上却很难解。解不开的数学题就很难证明支撑广义相对论的那个非线性的核心方程。打个简单的比方,就像费曼手拿着一杯冰水和一个橡皮圈去讲解航天飞机“挑战者号”凌空爆炸的事故一样。其中需要说明的技术问题打印出来的话,可能装满四辆大卡车。要把爱因斯坦面临的那个非线性的核心方程用数学来证明,其演算过程、推理过程、变换方程需要说明的内容,绝不是仅装满四辆大卡车。连爱因斯坦都费解的难题,极可能要再等五十年,直到霍金走进剑桥大学以后了。若是这样推算的话,霍金可能永远也发现不了黑洞。

  就在这个关键时刻,似乎是上帝的安排,德国出现了一位天才的天体物理学家,此人名叫史瓦西(Karl Schwarzschild)。当时史瓦西刚满十六岁,就发表了一篇关於行星轨道的论文,让专家们刮目。二十岁获得博士学位,成为普鲁士科学院会员。史瓦西不幸赶上了第一次世界大战,他穿上了军装,当上了德军炮兵上尉。

  史瓦西的天才可以说是横空出世。他在前线的战壕裏写完一篇关於相对论的重要论文,得到了爱因斯坦为之棘手的非线性方程中引力理论方程的精确解,而这个解的对象就是关於在真空中任意质量的星体周围的空间特性。正是史瓦西的这一解,奠定了经典黑洞研究基础,在天体物理学和宇宙学中具有里程碑的意义。霍金之所以成功,是因为他“站在巨人的肩上”,而这个巨人不止一个人,至少有史瓦西。能在炮火连天、枪林弹雨中“一心两用”,还能沉醉在那麼繁琐複杂、庞大缜密的推理计算中,可能不会再有第二人。

  史瓦西於一九一六年初逝世,也就是他刚刚把那篇重要论文完成并寄给爱因斯坦以后,他就得了一种怪病,无医可治,当他的论文发表时,史瓦西已经病故了。何为黑洞?它到底是宇宙中的一种什麼现象?牛顿认为,在巨大的物体附近,存在一种“力场”,这种“力场”就像磁场一样,对在一定距离内的其他物质具有吸引力,犹如太阳吸引着地球,地球吸引着月球,甚至地球吸引着那个苹果。而爱因斯坦的相对论认为,引力本身是时空的一部分,当物体质量大到一定程度,其附近的空间就会扭曲,从而改变周边一切物体的运动轨道。二十世纪初的科学家们根据爱因斯坦的理论得出了一个公认的黑洞定义,那就是如果有一个质量极大的恒星,它自身的重力也无比巨大,最终恒星必定会因为不堪自身重负而坍塌萎缩成一个密度无穷大、体积无穷小的点,在这个点的周边,会创造出一片吸引力极强,质量极大、连光也无法逃脱的区域,在时空的维度上,它就像一个深凹的洞,科学界美其名曰:黑洞。

  黑洞最初被视为广义相对论的一个数学结论提出的。到史瓦西手中,经过他的研究论证,得出了经典黑洞结构。这个黑洞的结构十分简单,通俗地讲叫“画地为牢”,它仅有一个边界线,但这个边界也是“神圣不可侵犯的”。任何东西,包括光在内,一旦越过了“事件视界”即我认为看似无形却有形的那条线,就有去无回,一去不复返;从越线那瞬间起,它们与外界就断绝了所有联繫。这个“牢”的大小、深浅、薄厚都是由黑洞的质量决定的,而“牢”并无实体。黑洞的中心是一个密度无限大的“奇点”,任何掉进黑洞的物体都会在此消失。黑洞彷彿是宇宙中的一个“魔洞”,直到霍金的黑洞学说,才赋予黑洞以崭新的定义。

  (“霍金黑洞论”之三,标题为编者加)

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