黑洞研究史

黑洞研究史一黑洞是个很自然的想法，自然到早在1784年，牛顿发表落地苹果及其数学原理之后一个世纪，就有个叫JohnMichell的人写信给卡文迪许说，如果有个星星比太阳密五百倍，那么这颗星星发出的光就会被引力拉回去。可惜卡文迪许好像不是很感兴趣，他在一年前失去了父亲，得到了130万英镑的遗产，这对于雨人似的小卡来说肯定比发现氢气，做个扭秤什么的头疼。（小卡对于金钱的概念几乎为零，有一次，经朋友介绍，一老翁前来帮助他整理图书。此老翁穷困可怜，朋友本希望卡文迫许给他较厚的酬金。哪知工作完后，酬金一事卡文迪许一字未提。事后那朋友告诉卡文迪许，这老翁已穷极潦到，请他帮助。卡文迪许惊奇地问：我能帮助他什么？朋友说：给他一点生活费用。卡文迪许急忙从口袋掏出支票，边写边问：2万镑够吗？朋友吃惊地叫起来：太多，太多了！可是支票已写好，速度之快，不愧是我辈中人。Michell的黑猩猩模型很快就被大牛拉普拉斯接着发展了一下，现在我们好像一提起黑洞都会把他老人家抬出来，其实思想上并没有前进多少。说到拉普拉斯，给某人讲讲他的故事吧。想当年年轻的拉普拉斯拿着一个名流的推荐信找到方正大师级的人物达朗贝尔，人家根本就没放在心上。于是他就回去写了一篇论述力学几何的文章，这回把老人家高兴得差点让他去做教父。--如果有自信，我们自己就是最好的推荐人。拉普拉斯研究的东西很简单，就是我们头顶的星空。他问的问题也很简单，我们的太阳系是稳定的吗？牛顿早就给出了回答：神会在合适的时间加以调节。拉普拉斯用了二十五年写了五卷《天体力学》，证明了一大堆关于扰动，轨道之类的结论，其实和牛顿说的一样，不过是用了另一种神的语言，数学。拉普拉斯的书里毫不脸红，毫不提及原作者的引用了拉格朗日，勒让德等人的工作。这在那个鱼传尺素的浪漫年代让好多人过高的评价了他的贡献。不过唯一的例外是，他不能不提到牛顿。拉普拉斯36岁的时候成为法国科学院院士，那一年他给一个非凡的16岁毕业生进行考试，那个人日后让他做了内政大臣，他叫作拿破仑-波拿巴。拿破仑有一次问到在他那些伟大的证明中上帝扮演了什么样的角色，拉普拉斯说：陛下，我不需要这个假设。大自然的全部结果不过是少数几个永恒定律的数学推论。--拉普拉斯一个第一流的数学家，拉普拉斯很快就暴露出自己只是个平庸的行政官;从他最初的工作我们就发觉，我们受骗了。拉普拉斯不能从真实的观点看出任何问题，他处处寻求精巧，想出的只是些胡涂主意，最後把无穷小的精神带进行政机关来。--拿破仑这个故事告诉我们，如果你什么事都干不好，多半就只能当个物理学家了。我们知道的不多，我们未知的无限。--78岁的拉普拉斯对这个世界说的最后一句话二黑洞的想法只在大师们的脑子里闪了几十年，然后就被彻底遗忘了。这主要归功于一些顽固的认为光是一种波动的人，以及在那个没有牛顿的时代里，美丽得让人无法争辩的实验事实（我认为雅致的杨式环绝对可以胜任图腾膜拜）。最重要的是，在这个阵营里，有一位堪与牛顿比肩的人物，麦克斯威。小麦最让人难忘的贡献当然是他那惊为天人的一组方程。为了一窥上帝之书，他19岁去了三一学院，陶瓷套到开尔文，霍普金斯等牛师，他们都是可以用数学唱歌的那种人，而小麦碰巧也有长江后浪推前浪的天才。小麦24岁的时候发表了关于磁力线的第一个方程，论文的题目叫做《法拉第的力线》。那个时候人们最喜爱的仍然是迅雷不及掩耳盗铃之势的超距作用，小麦给正处在襁褓中的场的概念带来了亟需的呵护。恰好这一年，法拉第决定退休了。小麦28岁的时候，有一天风和日丽，像往常一样看了看黄历，益出行，访友，于是他拜访了法拉第。你是唯一真正理解我的人，但你不该停留于用数学来解释我的观点，应该突破它。愉快地交换了一下物理学界的花边新闻之后，这位68岁的科学巨匠如此道别。不久，一篇《论物理的力线》在《哲学杂志》上被m，小麦完成了关键的突破。其后，伟大的方程接连降生，和那位在海边捡贝壳小孩的信笔涂鸦一起构筑了被我们成为经典物理的不朽神砥。那个时代的物理学家对论文很虔诚，每一片都要被m。小麦提出光是电磁波之前只写过两篇电磁学论文。据我所知，活在我们这个时代的甲虫里，只有Wilson才有那样的心境了，他得诺贝尔奖的时候，一共有25篇文章。小麦在剑桥也属于卡文迪许实验室，卡文迪许留下的笔记上有这样的纪录狗毛磨擦放电要大于猫毛磨擦放电，而小麦刚好有一只名叫托比的小狗，和一群实验物理学家同事。。。。。。谨以此事告诫某人，养宠物的事一定要三思，牛顿的小猫除了在他们家门上有自己的出入通道外，也不得不忍受和主人一样废寝忘食的悲惨生活。如果让牛顿研究地球在太阳系中的命运，月球多半要被忽略，而如果让小麦来做，恐怕我们会得到无穷多个月球影响下千疮百孔的地球妈妈了。小麦发展的这种方法，我们称为统计力学。关于这方面的一个精彩评述，欢迎点击拙作甲虫故事的序言。可惜的是，这位小麦在世的时候，没有多少人能理解他的思想。即使是亥姆霍兹和波耳兹曼这样的一时泰斗也花了几年的力气去读小麦的《电磁学通论》，虽然这本书一上市就被抢购一空。这情形颇有点像Weyl的《群论和量子力学》，那也是一本在每个物理学家的书架上落了灰的书。小麦的妻子晚年多病，他必须经常守在身旁，在最后的日子里，甚至三四周都没有上床休息。爱人离去后，心力憔悴的麦克斯韦停止了48年的沉思。某人。。。。。。不许偷懒，坚持每天锻炼！三1900年，数学巨人希尔伯特提出长久不衰的23个问题。1900年，开尔文勋爵向世人宣布物理学的大厦已经建成......只是远处的天空还飘着两朵让人不安的乌云。1900年，普朗克提出量子论的原型。1900年，苏黎世综合技术学校一个普通的毕业生为了找工作而伤神。他在五年后，让乌云变成倾盆大雨，彻底清洗了物理学。(对比一下我们这一代人的千禧年，实在不值一提）阿尔伯特。爱因斯坦是一个孤独的思想者，他不关心试验，不关心同事的进展，他所拥有的是对这个世界的一些最基本的信念，简洁，美丽。所以当大多数物理学家沉浸在牛顿--麦克斯威所建立的完美模型中修修补补的时候，爱因斯坦却在抱怨麦克斯威方程在牛顿理论的参考系变换下居然如此丑陋！他在1905年将一份《论运动物体的电动力学》寄给当时最权威的《物理学年鉴》，按照他的习惯，这篇论文当然不只讲电动力学，实际上，明眼人一下子就看得出来，爱因斯坦提出了新的时空观。幸运的是论文通过了，发表了，尽管爱因斯坦没有提到任何实验证据（其实他也不知道）。他等待着想象中随之而来的批评和诘难，可是，等到的只是难耐的寂静。几个月后，他收到一封信，署名马克斯.普朗克，当时最著名的物理学家。普朗克的垂青让其他一些物理学家开始擦擦眼镜，挠着头去理解这个三级专利员的异想天开。爱因斯坦没猜错，批评和诘难如期而至，甚至到了瑞典皇家科学院不敢再拖延他的诺贝尔奖的时候，都要在电报上加一句:不是因为相对论。爱因斯坦没猜错，他的美感，和上帝不谋而合。无论怎样，1905年五篇顶级水平的论文为他赢得了大师的声誉，尤其是他那种理论家的终极形式的思考，让人不由得想起亚里士多德的雅典年代，让习惯了培根归纳法的人们眼前一亮，原来物理可以这样做。可惜今天我们不再有这样的领袖，每一个理论家都要不断得去关心最新的实验，不断地和同行讨论，以免误入歧途。不再有人能质疑物理学是实验科学，不再有人能自信而平静的说：我相信，单纯的思考足以了解整个世界。1908年九月，爱因斯坦曾经的数学教授，把他亲切的称为懒狗的闵可夫斯基（他现在已经是世界数学中心哥廷根的名师了）用这样的话宣布了狭义相对论的最优美形势:我要摆在你们面前的空间和时间的观点，已经从实验物理学的土壤中萌芽了，那里积蓄着它们的力量。他们是基本的。从今往后，空间和时间本身都将注定在黑暗中消失，只有二者的一种结合能保持为一个独立的实体。这是闵可夫斯基的绝唱，几个月后，他死于阑尾炎。而此时的爱因斯坦，事业一帆风顺，刚刚晋升为二级专利员。四没有几个定律可以冠以万有的头衔，就像牛顿引力那样。这个定律在整整两个世纪中经受住越来越严格的检验，那些和理论不符的观测要么在不久之后被证明是误差，要么更加深了人们对于牛顿的笃信--天王星的轨道异常，于是万有引力定律告诉你，把望远镜对准某处，你会发现新的天体。于是勒维耶发现了海王星，于是在那之后几乎没有人会再怀疑牛顿引力定律。人类的智慧能够产生这样的奇迹，物理学能够有这样的威力，这简直和某人一样不可思议。不过20世纪初的时候，水星和月球轨道都有些无法解释的行为，后一个其实是观测误差，而前一个，预示着这个古老法则的失败。对于爱因斯坦来说，这些可疑的矛盾并没有多大意思，他追求的是那些最基本的原理。牛顿引力依赖于相互距离，可在不同的参考系中看，这个距离是不一样的，（这一定让你想到库伦力，不过和引力不同的是，那里有磁力来补充）爱因斯坦确信，违反相对性原理的理论不可能是对的，即使那是伟大的万有引力定律。没有止步于足以让他一生荣耀的狭义相对论，这对于物理学实在是件幸运的事。1907年，有人请爱因斯坦写一篇关于相对论的综述，这让他有机会细细审视了自己的世界。有一天，我正坐在伯尔尼专利局的桌旁时，突然出现一个想法：'如果一个人自由下落，他将感觉不到自己的重量。这被爱因斯坦称为是一生中最快乐的思想，（它的准确表述是，惯性质量和引力质量相等）在这样的参考系中，没有引力，狭义相对论控制一切，这是爱因斯坦为世界新添的规则，叫做等效原理（实际上在和量子力学结合后，这是个很让人迷惑的原理）既然有了引力，那么就不该总是局限于惯性系，可是像在牛顿--麦克斯威理论时出现的那种超恶的参考系变换是不能忍受的，所以爱因斯坦要求所有的物理定律在所有的参考系下都具有原来的形式，这当然又是出于他那种与生俱来的美感。几天后，他用这两个原理进行了最擅长的思想试验，发现引力越强的地方，时间就流失的越慢。这些论证直到今天都没有人能够做什么改进。然后他开始考虑引力和相对论的统一，一个多月后，他决定放弃。引力是那样一个庞然大物，爱因斯坦还没有做好准备。他决定去关心一下小东西的天地，因此，他埋头于原子，分子，辐射，一直到1911年，他的心又回到了引力。小东西的天地最终为他赢得了诺贝尔奖，而引力让他成为我们这个时代的思想导师。在物理学里，最美丽的理论是属于引力的，最难的问题是属于引力的，最天才的学者也属于引力。这种情况，直到今天也没有改变（一家之言，无意引起争端）。五爱因斯坦首先想到的是潮汐力（一个让人咬牙切齿的恶妇，当年彗星mm不顾一切飞向木星gg的时候，离了八丈远就被她撕开。。。。。。灭绝师太啊）在牛顿理论中，不同位置受到不同的引力，合起来就是每天的潮涨潮落。而爱因斯坦在想，根据等效原理，自由下落的人如何解释自己被撕成碎片呢？（某人会不会觉得这样说有点bt?那就换一个说法)站在地球上的人如果让两个小球自由落下，直到地心，那么原本分开的它们会在那里相遇。这一切在爱因斯坦看来只有一个解释，质点沿着直线走，而时空是弯曲的（所以小球的距离可能越来越远，也可能越来越近）。1911年到1912年，爱因斯坦试图用时间卷曲，空间平直来解释潮汐（这主要是因为之前已经发现的引力时间膨胀），这一年，让爱因斯坦被迫得到一个结论，他必须认真对待闵可夫斯基的思想（准确地说，就是一个标量的距离，又叫做原时），尽管他曾经只对其置之一笑。1912年夏，这个布拉格的教授已经认识到潮汐其实是时空曲率。8月，他回到母校综合技术学院，向老朋友格罗斯曼解释了自己的思想，问问有没有什么数学版的帖子可以CTRL+C一下，格罗斯曼去图书馆浏览之后带回来一个好消息和一个坏消息，好消息是黎曼的几何也许是爱因斯坦想要的，坏消息是微分几何太难了。有多难呢？爱因斯坦在10月份写信给索末菲（没时间讲他的故事了，他是个很大的物理学家，弟子比他还牛），信上说：在我的一生中，还从来没有这么艰难的奋斗过，而且我已经对数学充满了敬佩，他那精妙的部分至今在我简单的头脑中还只能认为是一种奢望！同这个问题（引力）比起来,原先的相对性理论不过是儿童游戏。然而这时候的卷曲定律依然依赖于参考系，1913年，他告诉洛仑兹，因为微分几何的方程不能遵守一般的相对性原理，他的信