暗星

大質(zhì)量物體可能會依靠自身的引力束縛住光,這個想法實際上在愛因斯坦研究光線和引力之前很久就出現(xiàn)了。1783年,英國科學(xué)家約翰·米歇爾(John Michell )牧師,曾經(jīng)利用牛頓引力計算了光粒子從恒星表面的逃逸速度。2他所導(dǎo)出的方程,本質(zhì)上與決定火箭脫離地球或月球引力所需速度的方程是一致的。米歇爾假設(shè)光是由無質(zhì)量的粒子組成的——這個觀點在當時非常流行——并發(fā)現(xiàn)了能使逃逸速度大于當時所測光速的“暗星”質(zhì)量。在這樣一個恒星附近,光永遠也不能逃脫引力的影響。無論是向上拋出的小球,還是發(fā)射升空的火箭,甚至是無質(zhì)量的光粒子,當它們的速度低于逃逸速度時,就一定會掉下來。

然后托馬斯·楊(Thomas Young)出現(xiàn)了。在18世紀末到19世紀初的這段時間里,楊完成了一系列討論光的波動性的實驗。這些結(jié)果打擊了有關(guān)光粒子性理論的熱情(至少在當時而言;當前量子理論認為光既是波又是粒子),并使人們對暗星的討論從科學(xué)領(lǐng)域消失了差不多100年。

當?shù)谝淮问澜绱髴?zhàn)爆發(fā)時,這個概念又悄悄地回歸了。1915年11月,在俄國前線駐防的一位中年德國戰(zhàn)士停下了他的彈道演算,并閱讀了普魯士科學(xué)院學(xué)報(Proceedings of the Prussian Academy of Sciences)的最新期刊?？枴な┩叽牟駹柕?Karl Schwarzschild),這位著名的天體物理學(xué)家(當時已經(jīng)年過四旬)在第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時志愿服兵役,但仍然盡可能擠時間鉆研科學(xué)。在讀完愛因斯坦關(guān)于空間、時間和引力的新理論之后,施瓦茨柴爾德計算了由單個球形物體產(chǎn)生的時空曲率,并得到了愛因斯坦方程的第一個精確解。3

考慮到他的戰(zhàn)友可能不是欣賞一篇有關(guān)廣義相對論論文的最佳聽眾,施瓦茨柴爾德把他的演算結(jié)果寄給了愛因斯坦。愛因斯坦對施瓦茨柴爾德的工作留下非常深刻的印象,并被授權(quán)代表他向普魯士科學(xué)院宣讀這一成果。

施瓦茨柴爾德從俄國前線寄來的信件中包含了黑洞理論的雛形。他給出的愛因斯坦方程的解適用于相對常規(guī)的天文學(xué)對象(如恒星和行星),但也允許巨大質(zhì)量物體的出現(xiàn)(甚至連光也不能脫離)。根據(jù)他的演算,對于任一給定質(zhì)量都存在一個臨界半徑。而一個將全部質(zhì)量壓縮在“施瓦茨柴爾德半徑”之內(nèi)的物體,就會在時空中產(chǎn)生一個強烈的變形,以至于任何物質(zhì)都不能從中逃脫。