黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言的一種現象,愛因斯坦用廣義相對論為黑洞進入科學領域鋪平了道路,而這並不是他真正的意圖。
1915年,愛因斯坦發表了一系列廣義相對論的演講,聲稱空間和時間是一個連續體,可被任何有質量的東西扭曲,扭曲的結果就是引力,即引力是空間和時間扭曲的結果,並迫使一切物體,從光到行星,甚至從樹上掉下來的蘋果,沿著彎曲的路徑穿過空間。
當愛因斯坦發展廣義相對論的時候,花了大約十年的時間用一種叫張量微積分的數學形式近似地解出自己方程的解,即使是最優秀的科學頭腦,也會對數學感到困惑。然而,這一挑戰並沒有阻止愛因斯坦同時代的一位天文學家——一位名叫卡爾·史瓦西的理論物理學家,史瓦西本質上是一個現實主義者,但他非常擅長處理理論概念,當愛因斯坦1915年發表關於廣義相對論的文章時,史瓦西是第一個認識到它們重要性的人之一。
只是黑洞並不是愛因斯坦預言的,甚至第一個預言黑洞的人也不是史瓦西,而是18世紀的約翰·米歇爾。
1783年,劍橋的學監約翰·米歇爾在《倫敦皇家學會哲學學報》上發表了一篇文章。他認為,如果一個質量足夠大的恆星產生強大的引力場,大到連光線都不能逃逸,任何從恆星表面發出的光,都將像炮彈一樣最終被恆星的引力吸引回來。
米歇爾暗示,宇宙中存在大量這樣的恆星,雖然它們的光到達不了我們這裡,讓我們不能看到它們,但是我們仍然可以感到它們的引力。他將這樣的天體稱為「暗星」,這正是我們現在稱為黑洞的物體。
幾年之後,大名鼎鼎的法國科學家拉普拉斯侯爵也獨自地提出了和米歇爾類似的觀念。當時對光的解釋屬於牛頓「光粒子說」佔上風的時候,所以把光想像成出膛的炮彈,是可以接受的。不過後來19世紀,「光波動說」逐漸取代了粒子說的主導地位,拉普拉斯又將此觀點從他的《世界系統》一書中全部刪除了。因為他顯然不認為波會像炮彈一樣被引力吸引。
對於的黑洞的早期認知止步於米歇爾和拉普拉斯的想像,直到1915年愛因斯坦提出廣義相對論,一個掙扎在俄國戰壕裡的德國炮兵中尉——卡爾·史瓦西——第一次解出了相對論場方程的第一精確解,得到了一個史瓦西半徑公式,從而為黑洞理論奠定了有力的物理方程支撐。
史瓦西的求解思路其實與米歇爾和拉普拉斯的想法一樣,就是當光也逃脫不了引力的束縛時,這樣的天體會是什麼樣子的?只是這次史瓦西擁有了一件完美的計算武器——相對論。
黑洞理論的進化
史瓦西可能沒想到,他算出來的這個奇異天體會成為日後物理學界最大的一個明星,一代又一代頂尖物理學家都投身其中。
20世紀30年代,眾多科學家一起提出了更準確的關於黑洞形成的理論,得出了三種不同方式產生的黑洞模型。
恆星黑洞:恆星死亡時,發生超新星爆炸後,殘骸在自身巨大重力作用下坍縮,殘骸越小,引力越大,最終形成黑洞。
星系黑洞:星系中心的密度非常之大,恆星之間容易發生碰撞合併,形成質量非常之大的天體,這些超大質量天體坍縮,可形成太陽質量的1億倍的黑洞。
原初黑洞:宇宙大爆炸時期的巨大能量,把一些物質擠壓得非常緊,形成初級的黑洞。可只要一個基本粒子那麼大,質量卻和小行星差不多。
1963年,旋轉的克爾黑洞被求出,算是黑洞理論中最大的一次躍進,相比於禁止的史瓦西黑洞,旋轉的克爾黑洞才是宇宙中的常態。
1967年,美國物理學家約翰·阿奇巴德·惠勒在12月紐約的一次演講中首次使用了「黑洞」這個術語,惠勒成了第一個把「黑洞」這個名字叫響的人,但惠勒本人表示這個名字,他也是聽別人說的,但最早是誰?已無法確認。