[ 日] 小谷太郎

　　物理学博士，毕业于东京大学物理学专业，研究领域为宇宙物理学和宇宙探测装置开发。曾先后在日本理化学研究所、美国宇航局戈达德太空飞行中心、东京工业大学、早稻田大学任职。

　　

　　《多云的宇宙 :物理学未解的七朵“乌云”》

　　[日]小谷太郎 著 范丹 译

　　北京时代华文书局/2020.3/48.00元

　　黑洞这种奇妙的“存在”被认为是凭借强大的引力吸入一切的宇宙洞穴。

　　黑洞来源于阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）的相对论，但由于过于奇妙，一开始被当作不切实际的空谈。剑桥大学教授斯蒂芬·霍金（1942—2018）针对黑洞提出了爆炸性的新说法，即本应该能吸入一切的黑洞会逐渐压缩，最后发生爆炸。

　　这是真的吗？研究者就像发现蜜糖的蚂蚁一样围绕着新学说展开了激烈的讨论，并提出了深刻的问题。如果黑洞会爆炸，那么黑洞内信息丢失的同时，熵也会消失。

　　熵是什么？为什么它的消失会带来麻烦？黑洞最终真的会爆炸吗？

　　爱因斯坦在各领域都名留青史，但最有名的还是相对论。他于1905 年发表了狭义相对论，又在10 年后发表了广义相对论，两者被合称为相对论，也就是现在最正确的记述时间、空间与引力的物理学理论（不过，判定它不够全面也是本书的主题之一）。

　　相对论本身就是奇妙的理论，它所述的黑洞则是其中最不可思议的东西。相对论很快就被人接受了，但相对论所预言的黑洞被研究者们厌恶和否定，直到有相关证据之后才勉为其难地认可了它。

　　爱因斯坦认为，我们生活中的时间与空间（合称为“时空”）是时而伸展、时而收缩，具有延展性的东西。

　　也许你会认为具有延展性的时间与空间前所未见，但时空的伸缩其实很简单，只要有质量，它就能扭曲周围的时间，拉伸空间。

　　

　　图1

　　比如，地球就拥有巨大的质量。时空的伸缩虽然很难用画来表现，但一定要表现出来的话则如图1。由于质量附近的时间会缓慢加速，如果在地球表面放置计时器的话，经过计算会发现，与质量的影响为零的情况相比，时间加速了一亿分之八左右。也就是放在不受地球影响的远处的计时器前进一秒，放在地球表面的计时器将前进一秒加一亿分之八秒左右。并且，由于地球周围的空间也会延伸，因此如果牵一根长长的渔线从月球轨道到地球表面的话，除了月球与地球之间本身的长度之外，还需要额外增加约20厘米的渔线。

　　如果有物体横穿过具有伸缩性的时空，那么原本笔直的轨道会出现歪斜。月球是以弯曲的轨道绕着地球飞行，苹果或球体的轨道也是以抛物线落向地面。这就是所谓的引力，也就是爱因斯坦的主张。

　　换句话说，物体受引力吸引就是在质量的影响下，处于伸缩时空中的物体的前进道路出现了扭曲。相对论被用于计算太阳附近的水星轨道等，并验证了其正确性。类似太阳附近那样引力极强的地方，牛顿的万有引力法不再有效，需要应用相对论。相对论是正确记述宇宙的理论，也是要运用高等数学的难解理论，但一经发表后立刻让全世界的智者都为之疯狂。

　　其中之一就是德国天文学家卡尔·史瓦西（1873—1916），他发现了满足相对论方程式的一个解法，被称作史瓦西解，是表示具有质量的“质点”对其周围的空间制造引力的方程式。在广阔的宇宙中，地球和太阳也不过是渺小的点状存在，所以史瓦西解对于计算地球和太阳所产生的引力大有帮助（地球表面计时器和从月球到地球的渔线长度都是利用了史瓦西解来计算的）。

　　爱因斯坦的广义相对论发表时正处于第一次世界大战时期。当时，史瓦西作为军官奔赴俄罗斯战场，在战场上想出了史瓦西解并写信告诉了爱因斯坦。但不久后，史瓦西因皮肤病恶化而去世。他所留下的解法很久以后也被称之为黑洞。如果史瓦西能活得更久一点，毫无疑问会对黑洞研究做出不凡的贡献，他也是被战争所摧毁的珍贵天才之一。

　　史瓦西解和研究质点自转的“克尔解”等相对论，是阐述引力场中心及质点周围的时空极度扭曲的解法。

　　处于极度扭曲时空中的物体的动态只能用不可思议来形容。做坠落运动的物体越是接近质点，通过时间越是扭曲，并且空间延伸。因此，当物体落到距离质点的某个位置时，坠落将会停止。

　　也许你会认为“怎么可能”，当时的研究者在听闻这一结论时的反应也和你一样。

　　坠落停止的位置被称为“史瓦西半径”或“现象的地平线”，它能产生各种超出常识的状况。比如，位于史瓦西半径时“逃逸速度”会达到光速。

　　所谓逃逸速度，是指以该速度抛出球体后摆脱引力飞向无限远方的速度。根据投球的具体情况能测出该场所的引力，地球表面的逃逸速度约为11 千米/秒，低于该速度的球体很快会因为地球引力落回地面，而超过11 千米/秒的话，球体将飞向宇宙的另一端。

　　当位于史瓦西半径内侧时，逃逸速度将超过光速。由于超光速的物体不存在于这个世界，所以无论以多大的力道在史瓦西半径内侧投球，最终都只会划出一道弧线飞向质点附近。由于光也会被折返，所以从外侧观测的话，质点就是半径等于史瓦西半径的漆黑圆球（至少当时是如此认为）。

　　观测地球和太阳附近并不会发现物体停止落下或光折返的异常现象，是因为地球或太阳比出现奇怪现象的史瓦西半径大得多。