黑洞-第1部分

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　　　　第一篇：引力与光
　　　　理论研究就像钓鱼：你不知道水中有什么，只有投竿，才可能有所收获。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——瓦尔（Novalis）
　　　　第一章　首批硕果
　　　　最幸运的人
　　　　一只小鸟的重量足以移动地球。
　　　　　　　　　　　　　　　　——列奥那多·达芬奇（Leonardo　da　Vhco）
　　　　古希腊哲学家在许多领域的天才思想至今仍未被超越，但他们对弓l力却所知甚少。亚男士多德（Aristotle）相信每个物体都有其在宇宙中的“自然位置”。最底层足陆地及其所有的直接附着物，在这上面是水，然后是空气，最后是最轻的元素火。一个因受力而离开其自然位置的物体总足要返回它自己的层次，因此，被抛射到空气中的箭或石块总是会落回地面。亚里士多德还进一步断言，物体的运动都沿直线进行，由弓射出的箭将沿直线向上运动，当弓所提供的力停止作用时，箭就又沿直线落回地面。
　　　　在20个世纪里几乎没有人对古希腊哲学家的理论表示过怀疑，尽管日常生活提供了反面的证据：箭的运动轨迹并不是一条直线，而是一条曲线即抛物线。只有一个人，即6世纪时生活在亚历山大城的约翰·菲罗帕纳斯（John　PhiloPonus），敢于提出惯性原理，向亚里士多德的思想挑战。
　　　　伽利略（Galileo）是对引力进行严格的科学考察的第一人。他做了一系列实验，包括让各种不同的物体从比萨斜塔上落下以及让不同大小的球沿斜面滚下。1638年，他发现了引力的最基本的性质：在其作用下的所有物体都得到同样的加速，与物体的质量或化学成分无关。
　　　　伽利略的工作以其对物理现象的仔细观察和深刻的科学推理而著称。他的结果显然与亚里士多德对世界的认识相反。在研究一个物理现象时，我们必须分离出所有那些使我们的日常经验复杂化的外部因素。为了从对在空气中下落的物体的观察而推导出支配真空中物体自由下落的普遍规律，伽利略必须首先理解摩擦力和空气阻力，因为正是这些与物体的大小和质量有关的“寄生”效应掩盖了引力的真正作用（如果像某些历史学家所认为的那样，伽利略事实上并没有从比萨斜塔上抛出物体，那么他由一连串的抽象推理而得出自己理论的能力应当受到更高的赞誉）。
　　　　直觉的天才有分析的天才为后继。按照广泛流传的说法，1666年的一个满月之夜，当一只苹果从树上落下时，伊萨克·牛顿（Isaac　Newton）正坐在那棵树下沉思。他突然意识到，由于同一种吸引的力量即地球引力，月亮和苹果都会朝地球下落。他计算出，两个物体之间的引力随它们距离的平方反比例减小，距离加倍，则引力减小4倍。月亮与地心的距离（384000公里）是苹果与地心距离（6400公里）的60倍，故月亮下落的加速度比苹果小60X　60＝3600倍。然后他运用伽利略的自由落体定律，即下落距离正比于加速度，也正比于时间的平方，于是得出苹果在1秒钟内下落的距离与月亮在1分钟内下落的距离相等。月亮的真实运动是已知的，牛顿所估计的距离与之相符。他所发现的正是万有引力定律。
　　　　牛顿的工作（当然远不止是他的引力理论）是人类智慧最辉煌的业绩，对当时和后世的思想都有巨大的影响。一个世纪后，法国的“黑洞之父”皮尔·西蒙·拉普拉斯（PICtrC　SllollLaPlace）认识到了牛顿的著作《自然哲学的数学原理》那种“胜过人类其他精神成果的卓越预示”。数学家约瑟夫·拉格朗（Joseph　Lagrange）则更进一步说道：“由于只有一个宇宙需要去解释，没有人再能重复牛顿所做的工作，他真是最幸运的人。”建立一个科学理论不一定会导致个人的快乐，但是的确没有任何其他科学工作具有牛顿理论那样根本的重要性，直至我们的时空观念被阿尔伯特·爱因斯坦（Albert　EinstCin）所彻底改变。
　　　　　行星的爱好
　　　　牛顿理论最令人瞩目的应用是在天体力学中。牛顿运用了他的万有引力定律（“万有”意味着一切物体都受引力支配）去解释开普勒（xevter）描述“行星对太阳的爱好”的经验规律。有了这个惊人精确的理论工具，科学家们兴奋地揭示出一个新的太阳系。
　　　　新力学的第一个成功是爱德蒙·哈雷（Edmund　Halley）预言了一颗管星（后来即以他的名字命名）将于1759年回归，这颗管星果然在1758年的圣诞节重现。
　　　　牛顿理论还表明，开普勒对行星运动的描述只是近似的。如果一颗行星只被太阳吸引，其轨道将是一个完美的椭圆，但实际上每颗行星都受到其他行星引力的扰动（尤其是被木星扰动，它比其他行星都大得多），由此导致的轨道偏差虽然很小，却可以计算也可以观测。埃班·勤维叶（Urbain　Le　Verrier）和约翰·亚当斯（John　Adams）正是运用“扰动理论”于1846年预言了海王星的存在及其精确位置。这颗新行星果然在他们计算的位置上被发现，标志着牛顿引力理论的高峰。
　　　　　不可见世界的两位先知
　　　　天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样大，或许也像恒星那样多。一个具有与地球同样的密度而直径为太阳25O倍的明亮星球，它发射的光将被它自身的引力拉住而不能被我们接收。正是由于这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却是看不见的。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——皮尔·西蒙·拉普拉斯（1796）
　　　　18世纪末，约翰·米切尔（John　Michell）牧师和皮尔·西蒙·拉普拉斯把光速有限的认识与牛顿的逃逸速度概念结合起来，从而发现了引力的最富魅力的结果：黑洞。
　　　　逃逸速度的概念是人们很熟悉的。一个人无论用多大力向空中扔出石块，石块终将落回地面，这使人感到引力似乎不可抗拒。然而，我们还是要问，引力能够对物质束缚到什么程度？如果不是由地球上而是由火星的一颗小卫星上如说火星抛出石块，情形就完全不同。火卫一的引力是如此之小，一个人的臂力就足以把石块抛到绕它运转的轨道上，甚至可以把石块抛到围绕火星的轨道上，而火卫一距离火星约有叨皿公里。
　　　　让我们仍回到地球上来。地球的引力可以由一个很深而开口处很宽的势附来表示。抛射物体只有速度足够高才能逃离地球。为了把一颗卫星送入轨道，火箭发射器必须到达一定的高度，然后转到与地面平行的方向，再加速到至少每秒8公里的速度，这个速度所对应的离心力（朝向外空）才能与引力（朝向他心）相平衡。
　　　　有一种叫做一飞车走壁的危险表演，摩托车手驾车在陡峭的斜壁上奔驰。随着车速增大，车子也沿着斜壁升高。一颗轨道上的卫星很像这里的飞车，它也在引力势队的壁上运转。
　　　　如果摩托车手进一步把车速增大到另一个临界值以上，他就会飞出斜壁。同样，如果火箭的速度足够大，它也能摆脱地球的吸引。这个临界速度对一块石头或一枚火箭来说都是一样的，它就叫逃逸速度。就地球而言，它是11．2公里／秒，对其他任何一个行星、恒星或别的天体，也很容易算出其大小。这个速度只取决于那个提供引力的星球的性质，而与被抛射的物体无关。星球的质量越大，逃逸速度也越大；质量一定时，逃逸速度则随星球半径的减小而增大。
　　　　这就是说，一个星球的密度越大也就是越致密，它的引力干脆就越深，要逃脱它的束缚显然就越困难。火卫一的逃逸速度只有5米／秒，月亮的是24公里／秒，而太阳的是620公里／秒。对于更致密的星球，例如白矮星（见第5章），这个速度高达每秒数千公里。
　　　　关于黑洞的思想正是来自于把简单的逃逸速度概念推向极端。自16％年奥拉斯·雷默（01asRoemer）对木星卫星的运动进行观测以来，已经知道光的速度大约是3
　　　　0公里／秒。于是就很容易想象出这样一种星球的存在，其质量是如此之六．以至于从其表面逃逸的速度大于光速。
　　　　约翰·米切尔在一篇于1783年的英国皇家学会会议上宣读并随后发表在《哲学学报》（Philosophical　Transactions）的论文中写道：“如果一个星球的密度与太阳相同而半径为太阳的50o倍，那么一个从很高处朝该星球下落的物体到达星球表面时的速度将超过光速。所以，假定光也像其他物体一样被与惯性力成正比的力所吸导，所有从这个星球发射的光将被星球自身的引力拉回来。”此后不久，数学家、天文学家、天体力学王于皮尔·西蒙·拉普拉斯于1796年在他的《宇宙体系论》（ExPosition　dusystemedu　mond…中也作了类似的陈述。
　　　　除了超前一个多世纪料想到光能被引力捕获外，拉普拉斯和米切尔还猜想到巨大的暗天体可能像恒星一样众多。在20世纪末，这科学巨变的时期，暗物质的存在正是宇宙学中最重要的课题之～。宇宙总质量的相当大一部分很可能是看不见的。
　　　　对这些不可见星球（直到门68年才命名为“黑洞”）的详细研究需要一种比牛顿理论更精确的引力理论。爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在，其“大小”恰与米切尔和拉普拉斯猜想的一样。
　　　　但是，严格说来，这两个理论在不可见星球的大小上的一致只是表面上的。按照牛顿理论，即使逃逸速度远大于30公里／秒，光仍然可以从星球表面射出到一定高度，然后再返回（正如我们总能把一只球从地面往上抛出）。而在广义相对论里来讲逃逸速度就是不正确的了，因为光根本不可能离开黑洞表面。黑洞的表面就像一只由光线织成的网，光线贴着表面环绕运行，但决不能逃出来、在第11章里还将看到，如果黑洞在自转，则捕获光的那个面与黑洞自身的表面是不相同的借助于逃逸速度来描述黑洞·虽然有有索要的历史价值和启发作用，却是过于简单了。
　　　　直至广义相对论建立为止，米切尔和拉普拉斯的思想被人们完全遗忘了。这一方面是因为没有什么迹象表明宇宙中存在如此致密的物质（当然，不可见性本身是一个好理由）；另一方面，他们的思想是建立在牛顿关于光本性的微粒说基础上的，即光微粒也像通常物质一样服从引力定律。而在整个19世纪，光的波动说占据了统治地位。按照这种理论，光是一种振动在媒质中的传播，光波是不受引力影响的，米切尔和拉普拉斯的思想因而失效。
　　　　　力场
　　　　行星的运动之所以能被计算出来，是因为我们知道物体之间的相互吸引力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比。然而这里有许多更深刻的问题尚未回答，比如引力的本质，它如何由物质产生，又如何作用到被真空隔离的物体上。
　　　　牛顿的引力不像马拉车的力或农夫用铁锹翻地的力那样，通过直接接触来传递。一个物体产生的引力能作用到远处的另一物体。这种不需要媒质而瞬时作用的力的概念，是雷纳·笛卡儿（Ren6Descartes）于1644年在其《哲学原理》（Principes　delaphilosophie）中所阐述的，并难以被机械宇宙观所接受。牛顿本人是一个忠实的机械论者，他把自己的定律看作只是一种能计算物体运动的数学工具，而不是一种物理真实。他曾说过，想象引力能瞬时地和超距地作用是荒谬的，是没有一个真正的哲学家能接受的。拉普拉斯曾试图通过考虑引力以有限速度传播来修改牛顿理论，他的推理在原则上是正确的（自爱因斯坦以后，我们知道引力是以光速传播），但在实际上是错误的：他算出引力的传播速度必定是光速的700万倍。
　　　　19世纪，同样的超距作用问题重新出现在研究电的学者面前。与引力相似，两个物体间的电力也与它们电荷的乘积成正比问力是与两物体质量的乘积成正比），与它们距离的平方成反比。但是，尽管物理学家最后还是接受了（没有更好的办法）引力的超距作用，他们却拒不接受电力也是如此。
　　　　于是，迈克尔·法拉第（Michael　Farada力和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerk　Maxwell）提出了场的概念。场能够作为物体间相互作用的媒介，并以有限速度传播。不是两个电荷在真空中通过瞬时力相互吸引或排斥，而是每一个电荷都在其周围产生一个“电场”，其强度随距离增大而减小。每个电荷所受的力都归结为两个场的相互作用。那末，引力也能以同样方式来描述：一个物体产生的引力场作用于所有其他物体。
　　　　这决不只是一种描述词语的简单改变。场的根本优越性在于，它把瞬时超距作用代之以需要时间来传播并随空间距离增大而减弱的作用。场论，这经典物理的光辉顶峰，看似毁坏了牛顿物理的根基，实则开辟了通向电磁学，然后是相对论的道路。
　　　　　麦克斯韦的光
　　　　在19世纪末，物质间的作用力被分为三类：引力、电力和磁力。
　　　　电的特征是存在正、负两种电荷c同种电荷相互排斥而异种电荷相互吸引，作用强度随距离变化的关系则与磁力一样。磁力是磁体的特性，磁体吸引铁，并指向地球两极的方向。每个磁体都有两个极，即北极和南极，同种磁极排斥而异种磁极吸引。
　　　　在吸导内排斥的行为上，电和磁看来很相似。古希腊人已经觉察到与毛皮摩擦过的流油能吸引碎草片（英文中电一词就是来自希腊文中琉璃一词），天然磁矿石能吸引铁屑。公元前6世纪，希腊大几何学家泰勒斯（Thales）认为，电和磁是同一种现象，这些奇特的物质含有吮吸周围物体的“精灵”。
　　　　24个世纪以后，丹麦物理学家克里斯琴·奥斯特（Chris－tianoerstCd）在上一堂电流实验课时，一根磁针碰巧正放在他的装置近旁。他注意到，每当接通电流时，磁针就发生偏转。这个发现之后几个星期，安德烈·安培（Anure　rtillpere）和弗兰克·阿拉果（Francois　Arag…）提出了一个理论，即变化的电力产生感应磁力，反之亦然、随后的实验工作充分地证实了电和磁现象之间的密切关系。
　　　　然而，电理论只是在1898年发现了电子后才得到真正验证。这种作为原子基本成分之一的基本粒子，带有不可再分的电荷，因而作为电荷的基本单位。通常的原子是电中性的，因为原子核外电子的负电荷被束缚在核中的正电荷所抵消。电荷可以静止，也可以运动，例如金属导体中的自由电子可以到处运动。正是电行在电场作用下的运动形成了电流。
　　　　类似地，天然磁石的磁性是由其分子之间的微型电流所导致的。在大得多的尺度上，地球的磁场也是由其转动着的镍…次核中电导物质的大规模运动产生的。电与磁的真正统一是在1865年，麦克斯韦把它们的所有性质概括在吸个方程中，建立起了电磁场理论。
　　　　一个静止电行具有不随时间变化的径向电场。当电荷运动时，其周围电场会自己调节到新的位置，场的变动以一个有限速度即光速传播。电荷的任何移动都使场发生这种变动，特别有意义的是，如果电行作用期性运动，则场的变动取波的形式，恰如一根棒子在水里上下搅动时会造成环形水波。麦克斯韦预言，电行的同期性运动将产生以光速在真空中传播的电磁波。
　　　　一个正常峰谷形式的波，两个相邻波峰之间的距离叫做波长，每秒时间