黑洞简史
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只要是成对出现的恒星,必然彼此靠近

随着万有引力定律的确立,在18世纪科学家们的眼中,宇宙在本质上为人类可知,就像一架结构精密的钟表,随着滴答声不断运转。许多天文学家开始把大把时间花在办公桌前,只是为了运用牛顿定律计算行星的运动或者预测潮汐。恒星也随之成为科学家们用来检测万有引力定律的首选对象。正是在此阶段,黑洞的前身,即“T型版”黑洞出现了。当一位名叫约翰·米歇尔的英国人将牛顿定律应用到最极端的假设中时,存在这样一种奇特天体的可能性就产生了。

生活在重大科学成果密集涌现的伟大时代,米歇尔涉猎的领域非常广泛。作为地质学家、天文学家、数学家和理论物理学家,米歇尔和英国伦敦皇家学会的大人物们,如亨利·卡文迪许、约瑟夫·普里斯特利等过从甚密,甚至和美国社会活动家本杰明·富兰克林也有来往(在后者作为外交官两度居住于伦敦时)。就像科学历史学家罗素·麦柯马科所写的那样,米歇尔是“18世纪最具创意的自然哲学家”。例如,他很早就认识到,地球的地层会发生弯曲、折叠,也会上升和下降。今天的人们如果还记得米歇尔,大多是由于他早在1760年就提出过,地震的传播是由穿过地壳的弹性地震波完成的。因此,米歇尔被誉为“现代地震学之父”。1755年,发生于葡萄牙的特大地震几乎将里斯本夷为平地,米歇尔对大地震的各种数据进行了深入分析和比较,成功计算出地震发生的时间、位置和深度,并指出此次大地震的震中位于大西洋西部。

约翰·米歇尔设计的扭秤。后来由亨利·卡文迪许改装,并于1797~1798年成功测量出地球的质量。(《伦敦皇家学会哲学汇刊》(Philosophical Transactions of the Royal Society of London))

米歇尔曾设计过一台用于测量万有引力常数的精密仪器——可用来“称”地球的扭秤。还未来得及利用该仪器展开实验,米歇尔就去世了,后来这台仪器到了他的朋友卡文迪许手中。经过改装后,卡文迪许成功地利用这台仪器测出了地球的质量。

尽管米歇尔成就非凡,却并不引人注目。他有个恶习——将原创性的真知灼见随便扔在一堆刊登普通研究论文的期刊中(比如磁力的平方反比律就是如此,直到几十年后才被重新发现)。他总是在东拉西扯或者脚注之中,不经意地提及一些伟大的观点。因而长期以来,他并未获得与其成就相匹配的名声。

早在剑桥大学皇后学院学习期间,米歇尔就已开始从事科学研究了。1742年,身为圣公会牧师的儿子,17岁的米歇尔得以顺利进入皇后学院学习,毕业后更是留校任教。一位和他同时代的人这样描述他:“个子不高,肤色黝黑,肥胖……他是位受人尊敬的天才发明家,一位杰出的哲学家。”在剑桥大学任教期间,米歇尔做过年轻的伊拉斯谟·达尔文的导师,伊拉斯谟·达尔文是进化论的奠基者查理·达尔文的祖父,他将自己的导师米歇尔誉为“一等星亮度的彗星”。

但到了1763年,准备结婚的米歇尔决定放弃教学,转而致力于教会工作。他最终定居于英格兰西约克郡的桑希尔,此后一直在那儿担任牧师,直至1793年于68岁时去世。在这几十年间,这位牧师继续保持着他对科学的广泛好奇心。米歇尔善于发现有趣的问题,并乐于通过思索寻求答案,当然这些都以其一流的数学能力为根基。当时的大不列颠正值对北美殖民地战争过后的灰暗恢复期,米歇尔这些有趣的思索中,也包括了今天我们称之为“黑洞”的天体。

关于黑洞的想法源于米歇尔的早期预测。当18世纪的天文学家用不断改进的望远镜扫视天空时,他们发现了越来越多的成对出现的恒星。那些有识之士达成共识:双星并非两颗星与地球的距离相同,它们只是偶然出现在天空中相邻的位置上,看上去挨得很近,但这只是一种错觉。对于这种看法,有着惊人洞察力的米歇尔绝不认同。他认为,几乎所有成对出现的恒星都是因为相互之间的引力而被拉至靠近的位置的。

一些恒星本就是成对存在的——米歇尔的观点对当时的天文学界来说不可思议。在1767年发表的一篇论文中,米歇尔开创性地指出,不管宇宙中大多数恒星是如何排列的,只要是成对出现的恒星,必然彼此靠近。他还通过计算得出,恒星成对出现的概率极高,而“非双星,即两颗单独的恒星,偶然地以看起来靠近的位置出现于天空中的概率极低”,他强调说,“只有数万亿分之一。”像往常一样,他将这个至关重要的计算结果藏在一个脚注里。在进行此类运算时,米歇尔是第一个将统计学作为数学工具应用到天文学领域的人。在天文历史学家迈克尔·霍斯金看来,这篇论文“可能是18世纪恒星天文学领域最有创新性和洞察性的论文”。

与此同时,米歇尔认为,双星现象会为我们了解恒星的许多重要特性带来方便,比如恒星的亮度、质量,以及它们无与伦比的周长,等等。米歇尔预测,与我们的太阳相比,宇宙中的恒星有些更亮,有些更暗。他甚至在论文中不无狡黠地推测:白色恒星要比红色恒星更亮。“那些发出白光的火,才是最亮的。”那么,无论是最初关于双星的观点,还是后来对于恒星亮度的断言,验证其观点的最佳观测对象,无疑正是那些在天幕中围绕着彼此运行的恒星双星。遗憾的是,这些问题并没有引起天文学家的注意。当时几乎所有的天文学家们都忙于发现新行星的卫星或者精确追踪行星的运动。对他们来说,恒星本身并不那么有趣,只不过是方便他们测量太阳系及其组件的华丽背景。太阳、月球和行星,才是他们的主要观测对象。

在如此氛围中,不难想见米歇尔的朋友威廉·赫歇尔是个多么罕见的例外。作为英国伟大的天文学家,赫歇尔的研究范围并不囿于传统的天文工作。根据米歇尔十多年间发表的有关双星的论文,赫歇尔开始记录天空中位置接近的恒星双星,并为它们编目。米歇尔把赫歇尔日益扩展的数据库称为“送给天文学界的最有价值的礼物”。米歇尔本人就从中受益匪浅。在1784年发表的一篇关于双星的论文中,米歇尔进一步发展了自己的观点。这篇论文有个马拉松式的题目:《论发现恒星的距离、量级及光速c之方法——由于恒星的光速有减缓现象,所以如果在任何一颗恒星上发现这种减缓时,都应同时监测与此相关的其他数据,为了前述之目的,这些数据非常必要》。正是在这篇论文中,米歇尔暗示了黑洞存在的可能,这可以说是18世纪的基于牛顿理论的黑洞存在说。

约翰·米歇尔发表于18世纪的科学论文。在这篇论文中,米歇尔首次提出基于牛顿理论的黑洞存在说。(《伦敦皇家学会哲学汇刊》(Philosophical Transactions of the Royal Society of London))

当时的亨利·卡文迪许,以发现了氢气的收集方法以及氢和水的关系而享有盛名,分别于1783年11月和12月以及次年1月,在英国皇家学会的系列会议上宣读了米歇尔的论文。这篇论文当时发表于《伦敦皇家学会哲学汇刊》,占据了长达23页的篇幅。米歇尔热忱地参与皇家学会的事务,每年至少有一次从300千米外的西约克郡赶到伦敦,参加皇家学会的会议或与学会的朋友们会面。但在这个对他而言非常重要的冬季,这位令人尊敬的牧师却莫名其妙地缺席了皇家学会的会议,选择待在家里。也许是因为健康状况,也许是由于缺少盘缠,也可能是想避开大家闹着让学会主席——植物学家约瑟夫·班克斯下台的尴尬场面,还有可能是因为大家要对他的论文进行初步评定而有意回避。没有人清楚其中的确切原因,但有些科学历史学家推测,米歇尔认为自己论文中的观点只是一种大胆的猜测,所以,他觉得如果由他的亲密朋友、德高望重的卡文迪许来介绍的话,可能更容易为皇家学会所接受。