[ 日] 小谷太郎

物理學(xué)博士，畢業(yè)于東京大學(xué)物理學(xué)專業(yè)，研究領(lǐng)域?yàn)橛钪嫖锢韺W(xué)和宇宙探測裝置開發(fā)。曾先后在日本理化學(xué)研究所、美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心、東京工業(yè)大學(xué)、早稻田大學(xué)任職。

《多云的宇宙 :物理學(xué)未解的七朵“烏云”》

[日]小谷太郎 著 范丹 譯

北京時(shí)代華文書局/2020.3/48.00元

黑洞這種奇妙的“存在”被認(rèn)為是憑借強(qiáng)大的引力吸入一切的宇宙洞穴。

黑洞來源于阿爾伯特·愛因斯坦（1879—1955）的相對論，但由于過于奇妙，一開始被當(dāng)作不切實(shí)際的空談。劍橋大學(xué)教授斯蒂芬·霍金（1942—2018）針對黑洞提出了爆炸性的新說法，即本應(yīng)該能吸入一切的黑洞會(huì)逐漸壓縮，最后發(fā)生爆炸。

這是真的嗎？研究者就像發(fā)現(xiàn)蜜糖的螞蟻一樣圍繞著新學(xué)說展開了激烈的討論，并提出了深刻的問題。如果黑洞會(huì)爆炸，那么黑洞內(nèi)信息丟失的同時(shí)，熵也會(huì)消失。

熵是什么？為什么它的消失會(huì)帶來麻煩？黑洞最終真的會(huì)爆炸嗎？

愛因斯坦在各領(lǐng)域都名留青史，但最有名的還是相對論。他于1905 年發(fā)表了狹義相對論，又在10 年后發(fā)表了廣義相對論，兩者被合稱為相對論，也就是現(xiàn)在最正確的記述時(shí)間、空間與引力的物理學(xué)理論（不過，判定它不夠全面也是本書的主題之一）。

相對論本身就是奇妙的理論，它所述的黑洞則是其中最不可思議的東西。相對論很快就被人接受了，但相對論所預(yù)言的黑洞被研究者們厭惡和否定，直到有相關(guān)證據(jù)之后才勉為其難地認(rèn)可了它。

愛因斯坦認(rèn)為，我們生活中的時(shí)間與空間（合稱為“時(shí)空”）是時(shí)而伸展、時(shí)而收縮，具有延展性的東西。

也許你會(huì)認(rèn)為具有延展性的時(shí)間與空間前所未見，但時(shí)空的伸縮其實(shí)很簡單，只要有質(zhì)量，它就能扭曲周圍的時(shí)間，拉伸空間。

圖1

比如，地球就擁有巨大的質(zhì)量。時(shí)空的伸縮雖然很難用畫來表現(xiàn)，但一定要表現(xiàn)出來的話則如圖1。由于質(zhì)量附近的時(shí)間會(huì)緩慢加速，如果在地球表面放置計(jì)時(shí)器的話，經(jīng)過計(jì)算會(huì)發(fā)現(xiàn)，與質(zhì)量的影響為零的情況相比，時(shí)間加速了一億分之八左右。也就是放在不受地球影響的遠(yuǎn)處的計(jì)時(shí)器前進(jìn)一秒，放在地球表面的計(jì)時(shí)器將前進(jìn)一秒加一億分之八秒左右。并且，由于地球周圍的空間也會(huì)延伸，因此如果牽一根長長的漁線從月球軌道到地球表面的話，除了月球與地球之間本身的長度之外，還需要額外增加約20厘米的漁線。

如果有物體橫穿過具有伸縮性的時(shí)空，那么原本筆直的軌道會(huì)出現(xiàn)歪斜。月球是以彎曲的軌道繞著地球飛行，蘋果或球體的軌道也是以拋物線落向地面。這就是所謂的引力，也就是愛因斯坦的主張。

換句話說，物體受引力吸引就是在質(zhì)量的影響下，處于伸縮時(shí)空中的物體的前進(jìn)道路出現(xiàn)了扭曲。相對論被用于計(jì)算太陽附近的水星軌道等，并驗(yàn)證了其正確性。類似太陽附近那樣引力極強(qiáng)的地方，牛頓的萬有引力法不再有效，需要應(yīng)用相對論。相對論是正確記述宇宙的理論，也是要運(yùn)用高等數(shù)學(xué)的難解理論，但一經(jīng)發(fā)表后立刻讓全世界的智者都為之瘋狂。

其中之一就是德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西（1873—1916），他發(fā)現(xiàn)了滿足相對論方程式的一個(gè)解法，被稱作史瓦西解，是表示具有質(zhì)量的“質(zhì)點(diǎn)”對其周圍的空間制造引力的方程式。在廣闊的宇宙中，地球和太陽也不過是渺小的點(diǎn)狀存在，所以史瓦西解對于計(jì)算地球和太陽所產(chǎn)生的引力大有幫助（地球表面計(jì)時(shí)器和從月球到地球的漁線長度都是利用了史瓦西解來計(jì)算的）。

愛因斯坦的廣義相對論發(fā)表時(shí)正處于第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，史瓦西作為軍官奔赴俄羅斯戰(zhàn)場，在戰(zhàn)場上想出了史瓦西解并寫信告訴了愛因斯坦。但不久后，史瓦西因皮膚病惡化而去世。他所留下的解法很久以后也被稱之為黑洞。如果史瓦西能活得更久一點(diǎn)，毫無疑問會(huì)對黑洞研究做出不凡的貢獻(xiàn)，他也是被戰(zhàn)爭所摧毀的珍貴天才之一。

史瓦西解和研究質(zhì)點(diǎn)自轉(zhuǎn)的“克爾解”等相對論，是闡述引力場中心及質(zhì)點(diǎn)周圍的時(shí)空極度扭曲的解法。

處于極度扭曲時(shí)空中的物體的動(dòng)態(tài)只能用不可思議來形容。做墜落運(yùn)動(dòng)的物體越是接近質(zhì)點(diǎn)，通過時(shí)間越是扭曲，并且空間延伸。因此，當(dāng)物體落到距離質(zhì)點(diǎn)的某個(gè)位置時(shí)，墜落將會(huì)停止。

也許你會(huì)認(rèn)為“怎么可能”，當(dāng)時(shí)的研究者在聽聞這一結(jié)論時(shí)的反應(yīng)也和你一樣。

墜落停止的位置被稱為“史瓦西半徑”或“現(xiàn)象的地平線”，它能產(chǎn)生各種超出常識(shí)的狀況。比如，位于史瓦西半徑時(shí)“逃逸速度”會(huì)達(dá)到光速。

所謂逃逸速度，是指以該速度拋出球體后擺脫引力飛向無限遠(yuǎn)方的速度。根據(jù)投球的具體情況能測出該場所的引力，地球表面的逃逸速度約為11 千米/秒，低于該速度的球體很快會(huì)因?yàn)榈厍蛞β浠氐孛妫^11 千米/秒的話，球體將飛向宇宙的另一端。

當(dāng)位于史瓦西半徑內(nèi)側(cè)時(shí)，逃逸速度將超過光速。由于超光速的物體不存在于這個(gè)世界，所以無論以多大的力道在史瓦西半徑內(nèi)側(cè)投球，最終都只會(huì)劃出一道弧線飛向質(zhì)點(diǎn)附近。由于光也會(huì)被折返，所以從外側(cè)觀測的話，質(zhì)點(diǎn)就是半徑等于史瓦西半徑的漆黑圓球（至少當(dāng)時(shí)是如此認(rèn)為）。

觀測地球和太陽附近并不會(huì)發(fā)現(xiàn)物體停止落下或光折返的異?，F(xiàn)象，是因?yàn)榈厍蚧蛱柋瘸霈F(xiàn)奇怪現(xiàn)象的史瓦西半徑大得多。