一文读懂黑洞研究史,看看黑洞是怎么被预言出的

人类之所可以发现黑洞,并对其拍照,这都归功于爱因斯坦的广义相对论,因为黑洞正是相对论所预言出的天体,可以说若没有相对论人们不可能知道宇宙还存在这样奇特的天体,更不可能去研究它,当4月10日首次拍到黑洞,又再次把爱因斯坦送上了神坛,人们不禁在想,100年前他是怎么做到的?

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可谁又想到,黑洞虽然是广义相对论预言出的,但并不是爱因斯坦提出来的,相反他是不相信宇宙会存在这样的天体。
说起黑洞,最早可追溯到18世纪,当人们还不了解光是什么时,以牛顿为代表的光粒子说引领着世界,再基于当时牛顿的万有引力定律,我们知道,当物体的速度达到第一宇宙速度时便可逃脱地球引力飞离地球,那么当时就有人想:若引力大到连光的速度都无法逃离,会不会光就无法逃出这个天体。
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1783年英国哲学家米歇尔发表了这一想法,称之为暗星,这也是历史首次有关黑洞的文献。之后,1798年拉普拉斯根据牛顿力学计算出大质量天体的引力使光线无法逃脱的可能性结果,在其著作《宇宙体系论》中又提出了暗星的天体。
但是当光的干涉实验说明光是种波以及麦克斯韦提出光是种电磁波后,人们对光的认识又从粒子变成了光是种电磁波,那么引力可以作用于粒子人们还好理解,引力要怎样作用于光这种波的属性呢?于是暗星被人们遗忘了。
直到爱因斯坦解决了光电效应后,人们重新认识光是具有波粒二像性的。1915年爱因斯坦发表了广义相对论,指出引力其实就是质量造成时空弯曲的表象,物质受引力的影响其实就是物质在被弯曲时空中运动所呈现出的变化,并推导出核心方程引力场方程。
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而当他发表相对论后,远在第一次世界大战前线的史瓦西对此相当着迷,史瓦西尝试研究引力场方程并对其求解,最终得出了著名的史瓦西解,而这个解就是黑洞的解,当物体的半径小于史瓦西半径后,其逃逸速度超过光速,时间为零,空间将无限延伸直指重力奇点,所以当史瓦西解出这个奇异的解后,觉的当半径为零或小于史瓦西半径后是无意义的,这太奇特了,觉得黑洞(当时还不叫黑洞)不可能形成,递给了爱因斯坦,爱因斯坦当时只是求得了近似解,所以对史瓦西求得的精确解是相当赞赏。他本人也认为这样的天体是不会形成的,于是他又重新做出计算并发表于数学年鉴来说明黑洞的不可能性。
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但是之后随着钱德拉塞卡以及奥本海墨,根据相对论计算出的钱德拉塞卡极限和奥本海默极限,当中子星质量超过奥本海默极限时其自身引力会使本身塌缩形成黑洞,这也是计算出恒星形成黑洞的必要条件。
这时对黑洞的研究应当已经快要出世了,但二战的爆发,使得科学家们顾及不上广义相对论以及其产物黑洞了,都去忙着研究原子核以及质能方程试图制造核武器了,以奥本海默为领导的科学家团队都去钻研核武器希望来终结二战,黑洞研究于是又被暂停了。
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直到1960年到70年,这时才是黑洞研究的黄金时期,1963年克尔又根据引力场方程得出了精确解,而这个解正是旋转黑洞的解,史瓦西解只是无自传的球对称形的引力分部,而恒星都是有自转的,这时史瓦西解就无法应对了,所以克尔解出的解对恒星演化为黑洞的意义就相当重大了,1967年惠勒正式以黑洞的名字描述这一奇特天体,至此黑洞正式面世,被人们熟知。

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