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预测黑洞存在的物理学家是史瓦西(Schwarzschild),不是爱因斯坦!
但黑洞又的确和爱因斯坦关系密切,涉及到爱因斯坦的广义和狭义相对论。
最先发现可能存在黑洞这种怪兽天体的物理学家是德国犹太裔物理学家史瓦西,他在一战服役期间,从爱因斯坦的广义相对论方程中,推导出了一种可能的天体怪兽——就是后来被通俗化的黑洞——,当时还被称为史瓦西解。很不幸,史瓦西在第二年因天胞疮而去世,这是一种自身免疫性疾病,尤其高发于德国犹太人群体中。
图示:史瓦西与黑洞解,黑洞的不可逃逸范围,称为史瓦西半径。
史瓦西解之所以后来被称为黑洞,原因也很简单,因为要从这个天体上出逃,需要的逃逸速度超越了光速!这意味着即便连光都无法从该天体中逃逸,这意味它既不可能发光,也不可能反光。同时,爱因斯坦的狭义相对论还规定任何粒子的运动都不可能超越光速,这意味着进入史瓦西天体的任何物质都将一去不复返。因此就有了黑洞这样的通俗称呼,这个称呼后来被科学界接受。但法国物理学家有段时间很抗拒黑洞(black hole)这个词,认为不够典雅,他们建议将黑洞称为隐星!隐藏在宇宙的星星,不过这个建议既没有被大众媒体采纳,也没有被别国物理学家采纳,大家都默认了黑洞一词,以至于许多人忘记了,其实黑洞还是一个天体,只不过非常特殊。
图示:广义相对论的核心思想就是质量可以扭曲时空。
如太阳就扭曲了它身边的空间,而广义相对论之所以被物理学界广泛接受,正是因为天文学家爱丁顿证实太阳真的扭曲了它周围的时空。随着天体密度的增加,如白矮星和中子星,它们对时空的扭曲也越来越严重,而黑洞则是其中的极致,黑洞表面出发的时空,最终会返回其自身。
图示:地球也扭曲它周围的时空,要挣脱这种扭曲,需要速度,逃离地球的速度被称为第一宇宙速度,而逃离黑洞的速度,超过了光速,也就是说,在现有物理学框架下,一旦进入黑洞,就是一条不归路。
实际上,爱因斯坦坚持认为黑洞这种怪物不可能存在!
在史瓦西得到“黑洞解”后,爱因斯坦认为这个解,不可能真实存在,它将会违背物理现实,直到1939年,爱因斯坦发表的论文中还专门指出恒星不可能坍缩成一个黑洞。
图示:当时还没有黑洞一词,爱因斯坦还在使用,史瓦西解这样的表达。
图示:史瓦西认为,足够大的恒星,最终将塌缩成一个奇点,而爱因斯坦则认为这种事不可能发生在现实宇宙中。因为他认为,这要求恒星塌缩的速度超光速。
现在的物理学家 ,已经解决了恒星不需要超光速塌缩就能成为黑洞的办法,这是爱因斯坦当年没想到的。
首张黑洞照片,证明广义相对论还是正确的
不管爱因斯坦本人是否相信黑洞的存在,但黑洞的许多属性都可以用他的广义相对论方程来进行计算,在人类拍摄到首张黑洞照片之前,我们见到的要么是艺术家依据科学理论想象中的黑洞,要么就是理论物理学家用电脑模拟的黑洞,电脑模拟自然只能用广义相对论作为基础。虽然,我们已经在太阳系中对广义相对论进行了精密验证,但它是否真的能用于黑洞这样的极短天体吗?
事实是,首张黑洞照片,完全符合爱因斯坦的广义相对论,看来大神还得继续供着。
黑洞并不是爱因斯坦预言的,只不过爱因斯坦的方程中有黑洞的位置,德国科学家史瓦西利用爱因斯坦的方程计算时得出了一个解,如果大量物质聚集在空间一个点,那么就会形成强大的引力,其逃逸速度将超过光速,这就是黑洞。
这就是所谓的连光都无法逃脱黑洞控制说法由来,爱因斯坦也对黑洞这玩意的存在很苦恼。黑洞与引力波不同,后者爱因斯坦做了预言,毕竟爱因斯坦的方程是侧重对时空的解读,但黑洞则不是。
黑洞是爱因斯坦方程中的一个特殊的存在,由于连光都无法逃脱,那么美国科学家惠勒将其称为黑洞。
霍金给黑洞进行了新的定义,认为黑洞不是黑的,而是灰的,可以称之为灰洞。由此也可以看出,霍金是一个黑洞研究方面的科学家,并非爱因斯坦那样颠覆掉一个体系。