论持续的引力坍缩
一颗耗尽燃料的重星,会无尽地坍缩——把自己封进一道视界之后。
把一颗恒星造得足够重,再撤走那撑起它的火,引力便会做出一件近乎难以置信的事:它永不停歇。
核心想法
一颗恒星,是一场长达数百年的平衡:它自身引力向内的挤压,被核心处核聚变之热向外的推力顶住。燃料一旦耗尽,热便消退,推力也随之死去。一颗轻的恒星,会安顿成一小团致密的余烬。但奥本海默与斯奈德问的是一颗重的——那里引力太强,没有任何东西顶得住——他们用爱因斯坦的引力理论,算出当一颗恒星就这样无尽地向自身坠落时,会发生什么。
他们的答案,依看的人是谁而一分为二。随恒星一同坠落,你转瞬便抵达中心——不过一天上下的工夫。从远处看,你见到的却恰恰相反:恒星向一个特殊的尺寸——它的「引力半径」——收缩,随后仿佛冻结在那里,它的光越拉越红、越拉越暗,直到熄灭。这颗恒星,把自己同宇宙的其余部分封隔了开来。余下的,就是我们如今所称的黑洞。
它是如何诞生的
1930 年代,物理学家已经明白,死去的恒星未必都能安息。苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡证明,一颗比太阳重约 1.4 倍的白矮星会垮掉;奥本海默与乔治·沃尔科夫又证明,哪怕是一团中子,也有其上限。罗伯特·奥本海默——在他领导洛斯阿拉莫斯原子弹实验室的十年之前——便与学生哈特兰·斯奈德一道,转向那个显而易见的下一问,并在 1939 年 9 月 1 日发表了答案,那正是第二次世界大战在欧洲爆发的同一天。几乎无人留意。连爱因斯坦都相信,这样彻底的坍缩不可能真的发生;这个念头,就此被近乎遗忘了四分之一个世纪。
它为何重要
这就是黑洞诞生于其中的那篇论文——它并非天马行空的臆想,而是爱因斯坦方程一个直截了当的推论。它带来了现代物理中最离奇的想法之一:一片空间,东西能落进去,却没有任何东西、连光也不能,再爬出来;它被一道表面环绕,而在任何从外面观看的人眼里,时间本身在那道表面上仿佛停了下来。天文学家如今称量、拍摄的每一个黑洞,都是这寥寥数页最先描述的那种天体的一个真实样本。
一个可以想象的画面
想象你看着一位朋友顺流游开,而那条河越往外流得越快。到某一条线上,水流恰好追平他游的最高速度;越过那条线,无论他如何朝你奋力划水,也再前进不了一米。对他自己,越过那条线毫无异样——他径直滑了过去。而对岸上的你,他却像是慢了下来,在渐暗的光里泛红,悬在那里、再也不动,永远到不了那条线。那条河,就是空间本身向内坠落;那条线,就是视界。拖动下面那件工具里的时钟,从岸上看这同一场坍缩——放慢、泛红,终于归于黑暗。
它的位置
牛顿的引力,绝不可能预见这一切;要让一道视界成为可能,得有爱因斯坦 1915 年那把引力看作弯曲时空的图景——以及卡尔·史瓦西 1916 年对他方程的求解(本馆亦有一篇)。奥本海默与斯奈德则证明,一颗真实的恒星,确实能造出这样一道视界。这条线索一路延伸,穿过 1960 年代相对论的复兴,直抵 LIGO 在 2016 年对两个黑洞相撞的记录,以及 2019 年人类为黑洞的阴影拍下的第一张照片。
When all thermonuclear sources of energy are exhausted a sufficiently heavy star will collapse. Unless fission due to rotation, the radiation of mass, or the blowing off of mass by radiation, reduce the star's mass to the order of that of the sun, this contraction will continue indefinitely. In the present paper we study the solutions of the gravitational field equations which describe this process.
[Part I] general and qualitative arguments are given on the behavior of the metrical tensor as the contraction progresses: the radius of the star approaches asymptotically its gravitational radius; light from the surface of the star is progressively reddened, and can escape over a progressively narrower range of angles. [Part II] an analytic solution of the field equations confirming these general arguments is obtained for the case that the pressure within the star can be neglected.
the star thus tends to close itself off from any communication with a distant observer; only its gravitational field persists.