在黑暗中找寻我们感觉得到却表达不出的真理的年月里,那强烈的欲望和动摇的信心以及成功前的焦虑,只有亲身经历过的人才能体会——阿尔伯特·爱因斯坦。
19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂。开尔文勋爵向世人宣布 “物理学的大厦已经建成,除了远处的天空还飘着两朵让人不安的乌云。” 这一天,来自苏黎世综合技术学校一个普通的毕业生正为没能申请到一份助教的工作而伤神。五年以后,这个毕业生将乌云变成了一场风暴,彻底清洗了物理学家的时空观。
卡尔.史瓦西
1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,肯定了电磁场是一种物质存在的特殊形式,并且对空间、时间的概念进行了深刻的分析,从而建立了新的时空关系。1915年,爱因斯坦又提出了广义相对论,将引力纳入相对论的框架,并给出了著名的引力场方程。由于这个方程过于复杂,爱因斯坦认为这个方程只有近似解。大大出乎他意料的是,在场方程发表仅二十多天后,一个叫史瓦西的人就找到了场方程的一个精确解,尽管这个解是在史瓦西在一战前线的战壕里得到的,却相当的简洁而优美。爱因斯坦对史瓦西的结果极为赞赏,在爱因斯坦的协助下,史瓦西的论文发表在普鲁士科学院的会刊上。几个星期后,爱因斯坦又向科学院报告了史瓦西的第二篇论文,其中给出了计算黑洞视界半径(史瓦西半径)的公式。
史瓦西解描述了球对称的天体外部时空的弯曲情况——天体强大的引力场不仅使空间发生了弯曲,时间也发生了弯曲。空间弯曲的一个结果是光线在天体的引力场中不再沿直线运动,即使光子是没有静止质量的。而时间弯曲的结果是在天体周围时间的流逝速度不再相同,引力场越强时间流逝的越慢。以太阳为例,在太阳表面,时间流逝比远离太阳的地方慢百万分之二(大概是每年64秒)。而时间的变慢则意味着从天体表面发出的光频率也随着降低,这就是引力红移。
史瓦西的计算预言,每个天体都存在一个临界半径,如果天体的半径在临界半径以下,表面的时间就会无限膨胀,也就意味着天体表面发出的光频率将无限降低,直到降为0。这也就意味着这个天体发出的光完全被束缚在引力场中无法被我们观测到,成为黑洞。
弯曲的时空
然而,就在得到场方程的精确解不到半年,史瓦西还没来得及完成第三篇论文,他令人瞩目的研究就永远的定格在1916年。6月19日,爱因斯坦悲痛的向科学院报告,卡尔.史瓦西已经在前线染病去世了。
在天寒地冻的战争前线,史瓦西患上了一种致命的疾病——天疱疮。这是一种自身免疫系统疾病,即使在今天也是非常棘手,更不用说在一百年前的战场上了。很快病魔就吞噬了他的生命。史瓦西,这位天才的科学家,炮兵中尉,就像一颗流星一般,还没来得及完全放出最灿烂的光芒,就已经消失在茫茫夜空。
或许史瓦西不会想到,他在战壕里打发时间的思维游戏,一百年以后依然处于物理研究的最前沿。虽然黑洞存在与否,在今天依然是一个有争议的话题,但越来越多的证据表明,黑洞在我们宇宙中真实存在。我们银河系的中心,可能就潜伏着一个质量是太阳几百万倍的黑洞,在伺机等待着吞噬从它旁边经过的其他天体。
(作者张瑞玉为天文学术期刊Galaxies责任编辑)