(譯自，2021年1月)

蕭如珀1 楊信男2 譯

(1.自由業(yè)；2.臺灣大學(xué)物理系 10617)

卓越的物理學(xué)家彭羅斯(Roger Penrose)因“發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是廣義相對論的確鑿預(yù)測”，和根策爾(Reinhard Genzel)以及蓋茲(Andrea Ghez)因“發(fā)現(xiàn)位于銀河系中心的超大質(zhì)量致密天體”，同獲2020 年諾貝爾物理獎(jiǎng)。其實(shí)，黑洞的初步概念可以追溯到18世紀(jì)，在愛因斯坦形成他的廣義相對論之前，也在彭羅斯的發(fā)現(xiàn)之前。

彭羅斯

英國天文學(xué)家米切爾(John Michell)于1783 年11月寫了一篇奠基性論文，后來發(fā)表在皇家學(xué)會的雜志上，是最早猜測類似黑洞物體存在的人。他的目的是要找出測定恒星質(zhì)量的可用方法，他認(rèn)為他能測量從恒星出來的光通過棱鏡后光速會減少多少；光速會因?yàn)槟芰繙p少而有不同的偏折，他相信可由此比較不同恒星曲折的影像來決定它們的表面重力，再計(jì)算它們各別的質(zhì)量。

米切爾了解脫離速度的概念，這關(guān)鍵的速度是由恒星的質(zhì)量和體積而定。他再三思考，假如星體很龐大，它的重力很強(qiáng)大，以至于脫離速度和光速相當(dāng)?shù)脑挄鯓?，他下結(jié)論說：

“如果和太陽密度相同的星體半徑比是500 比1，并假設(shè)光被星體所吸引的引力與其質(zhì)量成正比，如此星體所放射出的光將會被它自己的引力吸引回去?！?/p>

這就會讓天文學(xué)家看不見那顆恒星。他認(rèn)為宇宙間可能有許多這樣的星體，但因?yàn)樗鼈儧]放射出光線，所以無法探測到。米切爾也推測說，雙星系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)也許可以幫助科學(xué)家間接探測到這些“暗星”。

大約13年后，法國的博學(xué)家拉普拉斯(Pierre Simon LaPlace)也獨(dú)立地得到相似的結(jié)論。在他1796 年的專著《宇宙系統(tǒng)論》(Exposition du Systeme du Monde)中，他特別考慮一個(gè)密度是太陽4倍的恒星的情形，并提出明確的數(shù)學(xué)方程式說明米切爾“暗星”的假設(shè)。

100多年后，愛因斯坦提出他的廣義相對論，徹底改變了我們對于時(shí)空和重力的理解，開啟了一個(gè)全新的理論領(lǐng)域。物理學(xué)家立即開始探討那些可能性，最有名的是史瓦西(Karl Schwarzschild)，他在第一次世界大戰(zhàn)期間正在前線服役。史瓦西一面躲避激烈的炮火，一面計(jì)算愛因斯坦場方程的各式解答，最終發(fā)現(xiàn)那些方程組都會“發(fā)散”的一個(gè)點(diǎn)。此研究就是我們現(xiàn)在所知的黑洞(狄基(Robert Dicke)于1960年造了這個(gè)詞，而惠勒(John Wheeler)將它普及)早期的數(shù)學(xué)描述。

之后數(shù)十年，物理學(xué)家大多認(rèn)為黑洞純粹是理論上奇特的東西，而不是真的會存在于宇宙間。即便如此，在20 世紀(jì)30 年代，奧本海默(J.Robert Oppenheimer)和史奈德(Hartland Snyder)還是以數(shù)學(xué)說明一個(gè)巨大的恒星可能崩塌而形成黑洞。他們于1939 年的論文中下結(jié)論說，黑洞會“自己阻斷和遠(yuǎn)方觀察者的任何聯(lián)系；唯有它的重力場持續(xù)存在?！?/p>

但是大部分得到的解都假設(shè)恒星和黑洞均有理想完美的對稱，而真實(shí)的宇宙則凌亂多了。1963年發(fā)現(xiàn)的類星體大大地改變了大家討論的內(nèi)容，因?yàn)槲锢韺W(xué)家了解到，宇宙中來自最明亮物體的輻射源，都是正在掉落入巨大黑洞中的物質(zhì)。

再來談到彭羅斯，他接受挑戰(zhàn)，思考黑洞可能形成的真實(shí)機(jī)制。彭羅斯選擇在當(dāng)時(shí)相當(dāng)先進(jìn)的方法：他不考慮時(shí)空復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，而著重在拓樸空間。

彭羅斯在倫敦散步時(shí)得到此突破性的深刻想法，他想象所謂的“閉陷表面”：一個(gè)封閉的的二維表面，會將所有的光線集中到無窮致密的中心，就是我們現(xiàn)在所謂的黑洞奇異點(diǎn)。他同時(shí)使用以他命名的彭羅斯圖表來說明，一旦這個(gè)閉陷表面形成的話，根據(jù)廣義相對論，朝向奇異點(diǎn)崩塌是不可避免的。這個(gè)結(jié)論就是1965年1月發(fā)表于《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)的論文，標(biāo)題為《重力的崩塌和時(shí)空的奇異點(diǎn)》(Gravitational Collapse and Space-Time Singularities)(圖1)。

圖1 彭羅斯在《物理評論快報(bào)》的論文圖表，說明物質(zhì)(下方)掉進(jìn)黑洞奇異點(diǎn)(粗的垂直線)的情形

4年后，彭羅斯推測出他的“弱宇宙審查”假說，接著于1979 年又提出“強(qiáng)宇宙審查”假說，這仍被廣泛認(rèn)為是理論物理學(xué)中最重要，但尚未解決的挑戰(zhàn)之一。假說主旨：黑洞的奇異點(diǎn)不能是“裸露的”；它一定要被禁錮住，永遠(yuǎn)躲在事件視界(event horizon，不可能從該區(qū)逃離的邊界)里，然而，會有一個(gè)看得見、強(qiáng)烈彎曲(雖然有限)的外部區(qū)域。

彭羅斯甚至還想出一個(gè)復(fù)雜的過程(現(xiàn)在稱它為彭羅斯過程)，在過程中可能擷取一些運(yùn)行中的黑洞重力能量，具體地說，時(shí)空會沿著黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)被拖曳著，由強(qiáng)大的重力而產(chǎn)生強(qiáng)烈的效果。就在事件視界外有“動(dòng)圈”(旋轉(zhuǎn)黑洞外面的區(qū)域)，在動(dòng)圈內(nèi)的每個(gè)觀察者也都會被拖著和黑洞一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

彭羅斯想象，去發(fā)射一個(gè)拋射體進(jìn)入動(dòng)圈，讓它裂成兩半，一半掉入黑洞中，而另一半逃逸。這個(gè)過程可以產(chǎn)生半個(gè)逃逸，從黑洞擷取能量，攜帶的能量比原先的拋射體還多。布蘭德福(Roger Blandford)和日納杰(Roman Znajek)后來使用此概念，建造了他們從轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞產(chǎn)生能量實(shí)際可行的模型。

黑洞不再只是主要存在于理論中的奇特天體，它繼續(xù)吸引著物理學(xué)家，在理論和實(shí)驗(yàn)上都有所突破。根策爾和蓋茲在我們銀河系中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞存在，已被諾貝爾審查委員會所認(rèn)可，這將有助于賦予黑洞的研究，除理論外，注入活力。