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爱因斯坦是怎么知道黑洞的?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-09-07 16:50:11

约翰·米歇尔早在18世纪晚期就已经观察到,牛顿引力理论预言,质量足够大、密度足够大的物体,其逃逸速度将大于光速,因此必然会呈现黑色。

约翰·米歇尔

他甚至计算出,如果地球被压缩到1/3的半径,那将是一个黑洞。爱因斯坦当然知道这个但当他第一次发表论文时他怀疑他的张量方程是否有精确解。但就在不久之后,卡尔·史瓦西写信给爱因斯坦,提出了一个静态球对称体的解。由于爱因斯坦的理论在弱场极限下简化为牛顿的理论,所以它预测一个足够小的质量物体会是一个黑洞就不足为奇了,事实上它得出了与约翰·米歇尔的完全相同的公式。

但这并不意味着爱因斯坦知道黑洞。就像爱因斯坦方程的其他解(如虫洞)一样,我们不清楚这样的东西能否形成。史瓦西的解是关于一个永远存在的黑洞,它没有形成。爱因斯坦考虑了这个问题,他分析了一群由相互引力聚集在一起的粒子。他发现如果它们被压缩到史瓦西半径它们的轨道速度将是c他得出结论,这将是不稳定的,所以真正的黑洞不可能存在。

很久以后,奥本海默(Oppenheimer)和惠勒(J.A. Wheeler)等人研究了恒星坍陷的问题,这个问题很复杂,因为它取决于恒星中心奇异物质的状态方程。

奥本海默

惠勒证明,对于一颗质量超过太阳三倍的恒星来说,没有任何物质可以抵抗引力的压缩力,因为爱因斯坦方程的非线性意味着引力本身也有引力。所以时空本身在中心是无限弯曲的。这就解决问题了吗?

不,因为所有这些分析都是建立在球对称的基础上的,包括惠勒(爱因斯坦此时已经去世)在内的所有人都认为,在真正的恒星坍缩中,旋转和对完美对称的不可避免的偏离会导致无限被避免,坍缩会反弹。这被解释为观测到的超新星爆炸。这就解决了吗?

不。20世纪60年代初,罗杰·彭罗斯和霍金在不假设对称性或状态方程的情况下,用纯粹的拓扑论证证明,坍圮恒星的中心一定会形成一个奇点,这与史瓦西解一致。它还表明,新形成的黑洞将很快辐射出任何不均匀,并稳定成一个完美对称的物体。几年后,罗伊·科尔(Roy Kerr)找到了旋转塌陷的解决方案。然后这个问题就解决了…直到霍金证明了黑洞最终必须蒸发,从而创造了量子力学中的信息悖论。
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