2018-12-28 23:58:02
黑洞简史

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在2018年末,引力波天文台LIGO宣布他们已经探测到有史以来最遥远和最大规模的时空涟漪源:由深空中碰撞的黑洞引发的波浪。仅从2015年开始,我们就能够观察到这些看不见的天文物体,这些物体只能通过它们的引力才能被发现。我们寻找这些神秘物体的历史可以追溯到18世纪,但关键阶段发生在人类历史的适当黑暗时期 - 第二次世界大战。

在18世纪,自然哲学家约翰·米歇尔和后来的皮埃尔·西蒙·拉普拉斯首先考虑了一种能够捕捉光线,从而对宇宙其他部分不可见的物体的概念。他们使用牛顿的引力定律来计算一个光体从物体中逃逸的速度,预测恒星的存在是如此密集,以至于光线无法从它们中逃逸出来。米歇尔称他们为“黑暗之星”。

但是,在1801年发现光线呈现波浪形态后,人们不清楚牛顿引力场会如何影响光线,因此黑暗恒星的概念被忽略了。大约需要115年的时间来理解波浪形式的光在引力场的影响下如何表现,1915年阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论,以及一年后卡尔施瓦兹希尔解决这个问题。

施瓦兹希尔德还预测了一个身体的临界周长的存在,超过这个周期,光将无法穿越:施瓦兹的半径。这个想法类似于密歇尔的想法,但现在这个关键的周长被理解为一个难以逾越的障碍。

直到1933年,乔治·勒马特(GeorgeLemaître)才表明,这种不可穿透性只是远方观察者所具有的错觉。使用现在着名的爱丽丝和鲍勃的插图,物理学家假设如果鲍勃在爱丽丝跳入黑洞时静止不动,鲍勃会看到爱丽丝的图像在到达施瓦兹半径半径之前减速直到冻结。 Lemaître还表明,实际上,Alice穿越了这个障碍:Bob和Alice只是以不同的方式体验事件。

尽管有这个理论,当时还没有这样大小的已知物体,甚至没有一个黑洞附近。所以没有人相信像米歇尔所假设的类似暗星的东西会存在。事实上,没有人敢于认真对待这种可能性。直到第二次世界大战。

从黑暗的星星到黑洞

1939年9月1日,纳粹德国军队入侵波兰,引发了战争的开始,永远改变了世界历史。值得注意的是,就在同一天发表了第一篇关于黑洞的学术论文。现在,两位美国物理学家J Robert Oppenheimer和Hartland Snyder撰写的着名文章“持续引力收缩”是黑洞历史上的一个关键点。当你考虑到第二次世界大战其余部分在黑洞理论发展中的中心地位时,这个时机似乎特别奇怪。

这是奥本海默在天体物理学方面的第三篇也是最后一篇论文。在其中,他和斯奈德预测恒星在其自身引力场的影响下会持续收缩,从而形成一个具有强烈吸引力的物体,甚至连光都不会从中逃脱。这是现代黑洞概念的第一个版本,这是一个巨大的天文体,它只能通过它的引力来探测。

在1939年,这仍然是一个太奇怪的想法,不相信。这个概念发展到足以让物理学家开始接受奥本海默描述的持续收缩的后果需要20年时间。由于美国政府投资研究原子弹,第二次世界大战本身在其发展中起着至关重要的作用。

从灰烬中重生

当然,奥本海默不仅是黑洞历史上的一个重要人物。他后来成为曼哈顿计划的负责人,这个研究中心导致了原子武器的发展。

政治家们理解投资科学的重要性,以便带来军事优势。因此,全面投入与战争相关的革命物理研究,核物理和新技术的开发。各种各样的物理学家都致力于这种研究,作为一个直接的结果,宇宙学和天体物理学的领域大多被遗忘,包括奥本海默的论文。

尽管大规模天文研究失去了十年,但由于战争,物理学科作为一个整体而蓬勃发展 - 事实上,军事物理学最终增强了天文学的作用。美国把战争作为现代物理学的中心。博士学位数量激增,并建立了新的博士后教育传统。

到战争结束时,对宇宙的研究重新燃起。曾经被低估的广义相对论在复兴中得到了复兴。战争改变了我们做物理学的方式:最终,这导致了宇宙学和广义相对论领域获得了他们应得的认可。这对接受和理解黑洞至关重要。

普林斯顿大学随后成为新一代相对主义者的中心。正是在那里,核物理学家约翰·艾勒(John A Wheeler)后来普及了“黑洞”这个名字,他首次接触广义相对论,并重新分析了奥本海默的工作。起初持怀疑态度,近战相对论者的影响,计算机模拟和无线电技术的新进展 - 在战争期间发展 - 使他成为奥本海默在1939年9月1日爆发战争当天预测的最大狂热分子。

从那时起,黑洞的新属性和类型已被理论化和发现,但所有这些只在2015年达到顶峰。在黑洞二元系统中产生的引力波的测量是黑洞存在的第一个具体证据。

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