黑洞理論研究簡史

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1915年，愛因斯坦給出了引力場方程的最終形式，這正式宣告了廣義相對論的誕生。

1916年，史瓦西給出了廣義相對論的第一個嚴格解，這個解描述了一種最簡單的天體（靜止、不帶電、球對稱的天體）周圍的時空彎曲情況。然後，史瓦西發現所有的星體都存在一個史瓦西半徑，如果星體的實際半徑比它的史瓦西半徑要小，那麼它就會變成一個黑洞。

比如太陽的史瓦西半徑為3千米，地球的為9毫米。如果我們把太陽的半徑壓縮到3千米以下，太陽就會變成一個黑洞；如果把地球的半徑壓縮到9毫以下，地球也會變成了一個黑洞。

作為一個天才天文學家，史瓦西非常清楚新生的廣義相對論的引力場方程對天文學家來說意味著什麼，他懷著極大的熱情迅速完成了這些工作，並且得到了愛因斯坦的極大讚賞，他的這些工作也標誌著現代黑洞理論研究的開始。

但是，當我們都以為史瓦西會在這個領域繼續深入研究，給我們帶來更多驚喜的時候，史瓦西卻突然在1916年5月去世了（這時他才43歲）。這不由得讓我想起了閔可夫斯基，這個第一個深刻認識到狹義相對論意義的數學大師（同時也是愛因斯坦的大學數學老師），剛把愛因斯坦狹義相對論的物理思想給幾何化，剛準備在狹義相對論這篇土地里大幹一場時，就突然在1909年因急性闌尾炎去世了（45歲，想想在現在，切個闌尾跟切個西瓜一樣簡單）。

史瓦西去世之後，這一塊的研究就暫時被暫停了。一方面，當時量子力學的革命正如火如荼的進行，許多物理學家的注意力都被量子力學吸引過去了；另一方面，在廣義相對論-黑洞這一領域，理論物理上的權威愛因斯坦和天文學界的權威愛丁頓都不相信會有黑洞這樣密度無限大的怪物。

奧本海默的工作

1939年，年輕的奧本海默根據廣義相對論證明了：一個無壓力的球體在自身的引力作用下坍縮到史瓦西半徑的時候，如果這時候球體的質量比臨界質量大，那麼引力坍縮之後就不可能達到任何穩定的狀態，只能形成黑洞。

用更簡單的話說就是：如果球體坍縮到史瓦西半徑以下（視界以內），就不再有任何其它的力能夠跟引力相抗衡，球體除了繼續一直坍縮沒有任何其它的出路。

奧本海默和斯尼德還用廣義相對論精確的研究了一個理想球形、無自轉、無輻射的恆星的坍縮過程，他們通過精確的數學計算得到的公式給我們描述了這樣一幅圖景：在遠離恆星的地方觀看恆星的坍縮，我們會看到恆星坍縮到視界的時候就會完全凍結，如果站在恆星表面觀察，會看到坍縮迅速通過視界，然後迅速坍縮。

這個結論是從廣義相對論推算出來的，但是當時絕大部分的物理學家都拒絕相信這種結果，大部分人覺得在如此強的引力面前廣義相對論未必有效，而且就算有效奧本海默的解釋也未必正確。本來，出現這種事都是非常正常的，物理學家們對於接受一個理論一個結論都是非常謹慎的，但是只要有出現了這種情況，大家坐下來好好分析討論一下，一般很快都會達成新的共識。

但關鍵是那會兒是1939年，是第二次世界大戰爆發的前夕了，而我們都知道奧本海默是曼哈頓計劃的負責人。所以，這些物理學家們馬上就沒空研究黑洞，而必須去研究核武器去了。

黃金年代

二戰和冷戰耗費了太多物理學家的精力，直到六七十年代才迎來黑洞研究的黃金時代，在這個時代有我們熟悉的霍金和彭羅斯。

許多人對黑洞的認識僅僅停留在：黑洞是一個密度大到光也無法逃出去的物體，黑洞裡面有一個密度無窮大的奇點，這個奇點讓物理定律都失效了。

上面兩篇文章我也說過要真的解開奇點之謎需要用來融合量子力學和廣義相對論的量子引力，要直接面對這樣的奇點是在是太困難了。

但是，如果我們不是直面奇點，而是去研究一下黑洞其他方面的性質呢？比如視界，比如輻射。

黃金年代的物理學家們在這邊就探索出了一些很有意思東西。

首先，大家群策群力發現了黑洞是無毛的：不管坍縮前的黑洞有沒有磁場，有沒有不規則的凸起，最終都會形成一個理想球形無磁化的黑洞。

然後，彭羅斯和霍金證明了一個奇點定理（凡是黑洞必定存在一個奇點），而且彭羅斯還根據自己的直覺認為不可能存在裸奇點，也就是說所有的奇點都一定被視界包圍著。但是他無法證明，所以他只能把這個稱之為宇宙監督猜想。

接下來，霍金先是發現了面積定理（兩個黑洞融合成一個大黑洞的時候，新黑洞的視界面積一定大於原來兩個面積之和），然後證明了霍金輻射，指出黑洞不是不是只會吃東西，它也會蒸發輻射，會變小，這個發現大大改變了人們對黑洞的認知。

最後，上面這些定理里經常出現霍金和彭羅斯這兩個英國人的名字，大家不要覺得好像黑洞的重要工作都是英國人完成的。比如著名的霍金輻射，以霍金的名字命名是因為這個定理是霍金證明的，但是這個思想確實蘇聯的物理學家澤爾多維奇提出來的，霍金只是用數學的手段證明了他的想法，當然，這個證明過程當然也十分重要。

英國的大學在本科的時候主要學習數學，到了博士研究的時候才再數學和物理裡面選，而美國的大學在本科的時候就可以選擇物理。這樣造成的結果就是，英國的物理學家的數學水平比美國蘇聯的要好（所以能完成那麼多證明），但是在物理的直覺，對物理實質的把握上就要差一些。

結語

黃金年代之後，黑洞這邊的場子就慢慢的散了，物理學家們又去倒騰其他的事情去了，比如去扎堆超弦理論。

為什麼大家都撤了呢？是因為黑洞的問題都已經研究透了么？

當然不是，即便有了黃金年代那些新的成果，對黑洞的研究依然還只是皮毛，更不要說奇點那個終極大BOSS了。但是大家發現，以現在的這種理論水平，似乎對黑洞能研究的已經研究了，沒研究的也研究不了，工具不行，乾瞪眼也沒用。

或許廣義相對論只能幫我們到這了。我們對廣義相對論和量子力學的認識還不夠，還無法將它們深度融合起來，要想更深層次的認識黑洞就必須要對重新打磨新的工具，而超弦理論就號稱是能夠融合廣義相對論和量子力學，能夠統一所有基本力的屠龍刀。但是現在看起來，這把超弦這把刀還只是半成品，甚至連半成品都算不上，最終是屠龍刀還是殺豬刀就不得而知了。

但是，物理學家們有選擇么？是騾子是馬還得拉出來溜溜才知道，超弦是屠龍刀還是殺豬刀也得自己去試試才知道，而且超弦這樣的熱門理論起碼全世界都還有人交流，不是誰都有愛因斯坦那樣的能力，一個人從一片叢林殺出一片天地的。

原本不是打算寫這樣一篇簡史的，手一滑就這樣了~

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