给好奇者的暗黑物理学(精)

作者简介

内容简介

黑洞是什么？ 我们都知道，一个被抛向高空的球在达到最大 高度后会最终落地，抛球的力气越大，球的高度就 越高。这是地球重力的一个表现，因为地球的重力 会将所有的东西向地心拉去。球的高度会随着初始 速度的平方增加：抛球的速度快两倍，球的高度就 是原来的四倍。如果抛球的速度足够快，超过每秒 11.2千米（约每小时4万千米），球就不会再落到地 球上，而是会彻底摆脱地球的引力。只有行星际探 测器的发射器才能达到这个足以摆脱地球引力的速 度，让我们可以看到我们身处的太阳系。这个逃逸 速度与行星的质量和半径的商的平方根成正比，一 个比地球大4倍或小4倍的行星的逃逸速度会是地球 的两倍。光的速度约为每秒30万千米，拉普拉斯算 出，为了让光线无法逃逸，一个与地球密度相同的 恒星的半径应为：太阳半径的250倍。显然，拉普拉 斯公式只适用于经典物理学中的物质抛射体，不能 先验地适用于粒子——即光子-——质量为零的光线 。 关于引力对光产生影响的缜密研究必须在爱因 斯坦于1915年发表的广义相对论的框架内进行。这 个理论指出，引力的作用实际上是时空的几何表现 ，它本身是建立在物质和能量分配之上，时空因它 而变形、弯曲了。自由运动的粒子必须沿着新几何 中较短的线，也就是短程线来运动。因此，与经典 理论相反，光虽然没有质量，也会受引力影响，或 者更准确地说，是受时空的弯曲影响，它的轨迹在 一个巨大的物体附近会偏转。英国天文学家亚瑟？ 爱丁顿（1882—1944）在1919年的日全食期间首次 验证了这一效应。在日全食期间观测到的接近太阳 方向的恒星的位置与在一段时间后测量到的这颗恒 星的位置之间存在着微小差异，这和爱因斯坦的计 算完全相符。这是对于他的万有引力新理论的一个 有力证明。今天我们知道，爱丁顿使用的实验器具 太不精确了，以至于这个观察结果并不是真正有说 服力的，但是，除了这个幸运的巧合之外，科学家 又多次重复了这个实验，都明确证实了爱因斯坦的 预言。 如果时空的弯曲会影响光线，那么在广义相对 论的框架下，我们就有可能再次计算在何种条件下 ，星体能够限制光线的逃逸。爱因斯坦的理论证实 了一个临界半径的存在，当星体的半径低于临界半 径时，光线就无法从星体中逃逸。让我们出乎意料 的是，计算这个临界半径的公式与由经典理论推导 出的拉普拉斯公式完全相同。这个临界半径被命名 为史瓦西半径，以纪念在1915年计算出这个半径的 德国物理学家卡尔·史瓦西（1873—1916），这个 半径和物体的质量成正比，例如，根据史瓦西的公 式，要将太阳转化为黑洞，必须将它的全部质量压 缩成一个半径仅为3千米的球体！