黑
黑洞自身没有任何颜色,
引出爱因斯坦下一次成功的,是一个非常著名的天文学问题,水星的近日点问题。按照开普勒描述的椭圆轨道,水星应该顺着椭圆型的轨道围绕太阳运转。但几百年来的观测证明,水星每沿轨道环绕一圈后,都不能回到原来的位置上,而是有一点点很小的偏离。这就是水星在近日点上的移动。这个移动有 1.38 弧秒。
牛顿的引力定律可以解释这 1.38 弧秒中的 1.28 弧秒,那是木星和其他行星对水星产生引力作用的结果,但剩下的 0.1 弧秒没任何办法解释,而测量的误差只有 0.01 弧秒的大小。
首先,爱因斯坦建立了一个“等效原理”,可以用小学课本的《两个铁球同时着地》去简化一下它的描述。
假设你在一个悬崖边上,远处一个炮弹在被打起的一刹那,你跳下悬崖。这时候,在地面上相对静止的人,看到炮弹的运动是一个抛物线运动。而正在掉下悬崖的你,看炮弹的运动,则是一个向上的匀变速直线运动!
为什么?因为在引力的作用下,你和炮弹都处于同一个参考系里,则炮弹受重力的作用和你受重力的作用互相抵消,在这个参考系里,你的运动和炮弹的运动是不受重力影响的了,就是所谓的失重状态。
然后,爱因斯坦又再得到了一个更惊人的理论,就是引力引发时间膨胀。
假设我们有两只非常精确的手表,一只放在地面上,一只放在高空中,经过一段时间后,高空中的那只手表一定走得比地面上的手表要快一些!
1912 年,爱因斯坦经过一段时间的挣扎以后,终于被迫接受了闵可夫司基的绝对时空概念――在我们的宇宙中,只有一个惟一的绝对的四维时空。这样,他能解释得了新理论里的时空卷曲。也就是,离地球近的时空,卷曲曲率比较大,而离地球远的高空上的时空,卷曲曲率比较小。地球上的表受到时空卷曲的影响,则走得慢了!
此后的三年里,爱因斯坦终于意识到数学、特别是黎曼几何对他的新理论有非常重大的意义,于是他在几所大学之间辗转讲学的时候,把他的理论重新用数学形式描述一次。经过计算,在1915年11月25日,人类历史上最伟大的物理理论之一、广义相对论诞生了。
(实际上,第一个计算出完整的广义相对论形式的人并不是爱因斯坦,而是和他合作过一段时间的数学家希尔伯特)
到此为止,爱因斯坦在物理学上的贡献已经公德完满了,后来他很少有建树,甚至他是反对量子物理和黑洞理论的一面鲜明旗帜。最著名的,莫过于他的一句批驳量子力学的名言“上帝不会掷骰子!”,予以驳斥量子力学里的测不准原理。
现在,我们重新用广义相对论的原理去看看一开始提出来的黑洞理论。引力并不是一种力,它和我们推东西、拉东西所用的“力”有很大的不同。引力的本质,是时空卷曲。也就是,地球并没有“拉或者“吸引”住我们,而是我们的时空被地球的引力所卷曲、扭转。所以我们需要一种新的几何去计算空间扭曲的状况,从而知道怎么样的扭曲会让光跑不出来。
1916年1月13日,史瓦西历史性地计算出第一个爱因斯坦方程的解,建立了史瓦西几何。史瓦西分析了完全没有旋转的星、并得到了任意无旋转球状星体以外的时空曲率。但4个月后,史瓦西在俄国前线染病去世了。
史瓦西预言,每个星体都存在一个依赖于星体质量的临界周长,也就是 18 世纪那位 Michell 计算的周长―― 18.5 公里乘以以太阳质量为单位的星体质量。即若太阳的周长如果减少到 18.5 公里,那么太阳将变成一个黑洞。
但这里所说的黑洞,并不是光不能逃逸出来,而是引力之大,可以让星体的表面的时空发生强烈的扭曲、以至于时间在那里停止了流动――被“冻结”了!
所以,时空卷曲才是黑洞形成的成因,而时空卷曲也是引力的本质。用时空卷曲的概念去描述黑洞,才比较准确,而不是单纯的引力描述。
然而黑洞并不“黑”,它不是绝对不能被外界所观测到的,相反,黑洞非常非常地漂亮!特别是吸积盘和喷射流黑洞,都非常壮观。在已经发现的黑洞侯选里面,有一个喷射流黑洞,所发出的高能喷射流长达几十亿光年!
黑洞不是完全黑的,它会向外辐射,这就是我在那一贴里解释的能量涨落机制。而有的黑洞因为旋转非常快,周围的气体被快速地吸入到视界以内,则产生巨大的涡流。
有的黑洞是双星系,其中一般主星是黑洞,则伴星的炽热气体会被吸入黑洞内,这样会形成一种非常壮观的吸积盘。同时黑洞附近的时空扭曲非常巨大,使光线产生强烈偏折,形成前所未见的“光盘”景象。
最后补充关于真空涨落的描述。质量和能量是一种东西的两种形式,那么真空中的能量涨落就可以导致基本粒子的形成。基本粒子能量相当小,即使用 E=mc^2 来计算,那么小的质量产生一次反应连一个细胞都炸不碎。1928年,Paul Dirac 就已经对这样的现象进行了描述,创立了所谓的“Dirac 海洋”。一对正-反粒子对会在 10^-21 秒内自动地产生和湮灭,质量更大的粒子也可能在真空中产生,但按照量子力学的测不准原理,它们只能存活更短的时间。
黑洞的蒸发――黑洞虽然会蒸发,但黑洞的蒸发非常缓慢。若要视界蒸发掉而让我们看到黑洞的中心――宇宙最神秘的奇点,则需要非常长的时间。一个 10^15 克的黑洞需要 100 亿年时间才蒸发掉。
所以当今最伟大的数学家之一彭・罗斯(Pen Rose)提出了宇宙监督理论,认为黑洞的奇点受宇宙监督,是不能被看见的。即使要看,你也要付出代价,而且不能把它的信息带出黑洞以外。对于这点,霍金调侃了爱因斯坦一下,他说“上帝不只是掷骰子,还把骰子掷到我们看不到的地方!”
应该是黑色的吧