如果愛因斯坦見到黑洞照片

劉姝鈺

最新發布的黑洞之影照片，是對愛因斯坦廣義相對論的驗證。如果愛因斯坦看到這張照片，是不是會發笑？

1915年，愛因斯坦憑借他卓越的物理天分，提出廣義相對論，顛覆了人們一直以來的經驗和認知。根據廣義相對論，曾經被認為只是居住在廣袤時空中的宇宙萬物，一下子翻身做了時空的建造者。

在廣義相對論問世時，因其天馬行空的時空觀，許多科學家不敢相信。但100年來，隨著科學的發展，人們通過廣義相對論推演出的很多重要預言都逐一得到證實。最近一次，就是黑洞照片的問世。

百年前的廣義相對論，至今“前衛”

引起世界狂歡的黑洞之影，與廣義相對論之間有著怎樣的淵源？

其實，科學家對黑洞的猜想早在幾百年前就已經初露端倪。我們現在已經知道，黑洞是由質量足夠大的恒星在可以進行核聚變反應的燃料耗盡后，發生引力塌縮而形成的。黑洞的大質量決定了它超強的引力場，強到連傳播速度極快的光子也無法逃逸。

所有的天體都有一個所謂的逃逸速度，只有當物體的初速度達到天體逃逸速度時，物體才能擺脫天體的引力束縛而飛出該天體。地球的逃逸速度即第二宇宙速度，為11.2千米/秒。光的速度雖然達到了30萬千米/秒，卻依然無法逃離黑洞巨大的引力。

1687年，牛頓發表了他的巨著《自然哲學的數學原理》，并研究了逃逸速度。但可惜的是，由于種種計算問題，牛頓最終沒能將他的引力方程延伸至大質量恒星上。

到1783年，英國天文學家約翰·米歇爾第一個想到：可以存在比太陽質量更大的恒星，其逃逸速度甚至超過光速，連光都無法逃逸出去。因此，從外部看，這顆恒星將是全黑的。他把這種巨大的天體稱為“黑星”。

但在那個時代，要想在太空中找到這樣一顆根本看不見的天體是不可能的，有關“黑星”的想法就這樣被擱置了一個多世紀。直到20世紀早期，愛因斯坦創造了兩種偉大的理論——狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論描述了一種全新的時空觀，即物體的運動速度會影響物體的質量、空間，甚至時間。而廣義相對論，則是對曾經的萬有引力理論的修正。

根據牛頓所提出的萬有引力理論，我們知道一切事物之間都有引力。物體質量越大，引力越大，比如，蘋果掉在地上就是受了地球引力的作用。廣義相對論則認為，任何有質量的物體都會導致“時空”的彎曲，因此，當物體向一個大質量的物體靠近時，將會沿著彎曲的路徑前進，這種現象就是“引力”。

以蘋果為例，蘋果掉在地上并不能單純認為是受到地球引力，而是因為地球彎曲了周圍的時空，蘋果沿著這一時空運動時掉了下來。我們可以借美國物理學家惠勒之言，概括廣義相對論的精髓：時空決定物質如何運動，物質決定時空如何彎曲。

這個結論看上去非常荒謬，但事實是，同步衛星上的時鐘比地球上的時間每天要快38微秒。因為在那個距離地球較遠的位置上，衛星所受到的地球彎曲時空的影響較小，時間過得較慢。

走出“魚缸”，從看到黑洞開始

廣義相對論的另一個結論是，光也受引力影響，也將沿著一個彎曲的路線走。當然，并不能說牛頓的萬有引力理論就是錯的，它是一種“近似”，在我們日常范疇，牛頓力學已經足夠。

不同于萬有引力理論的簡單方程式，愛因斯坦的理論要用一系列復雜的被稱為“場方程”的方程式來解釋。1916年，德國物理學家卡爾·史瓦西就是根據這套復雜的場方程發現了關于大質量恒星的精確解，“黑星”問題重新浮出水面。

依據場方程，一個密度極其大的天體在宇宙空間創造了一個區域，在這個區域中，包括光也受到天體引力的影響，無法逃逸。史瓦西甚至根據場方程，進一步計算了這個天體的半徑。

曾經，這一切被認為純粹只是一個數學結果。但隨著天體物理學的進步，我們對恒星的生命周期有了進一步了解，一些凋亡的恒星最終可能會變成另一種奇異天體的現象或許真的會發生。現在我們已經知道，這就是黑洞。1967年，惠勒第一次提出“黑洞”一詞，在當時還只是指一種只在理論上存在的、極端致密和令時空無限彎曲的天體。52年之后，人類終于為黑洞拍下了第一張真正的照片。

面對這樣一個黑透了的物體，科學家們是如何通過“曲線救國”看到它的面目的？那就要得益于吸積盤與噴流這兩種現象了。二者皆因黑洞在吞噬萬物時，氣體摩擦而產生明亮的光與大量輻射。因此，對黑洞的觀測結果除了說明廣義相對論的又一個預言被證實，也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產生并影響星系演化的。

根據愛因斯坦的場方程，當我們知道了黑洞的質量，就能算出它的半徑。為了紀念卡爾·史瓦西，這個黑洞的半徑被稱為“史瓦西半徑”，包括光在內的任何物質都無法從史瓦西半徑中逃出。而黑洞的表面積被稱為“視界”，因為一旦有東西越過了視界，那么它就永遠消失了，或者說，被隱匿到宇宙的另一部分中。

有了這張黑洞照片，天文學家接下來將會從中推斷更多M87星系黑洞的數據，包括它到底有多重，角動量是多少，周圍的塵埃與氣體是一種什么樣的狀態。天文學家將計算的數據與之前通過其他手段間接推測的結果進行比對，科學的認知才能獲得不斷進步。

現在，讓我們回到那一顆“蘋果”。它掉落下來，是因為牛頓提出的萬有引力，還是因為廣義相對論創造的時空扭曲，對于“我”而言又有什么區別，“我”究竟是為了什么在糾結？

從現實世界來說，我們每個人手中握著的帶有GPS衛星定位系統的電子設備，其實就是受益于廣義相對論。

未來，如果有一天蟲洞旅行、光速飛船變成現實，人們就不會再問相對論、量子論以及探索宇宙有什么用。

幾年前，意大利蒙扎市議會通過了一項法案，禁止寵物的主人把金魚養在圓形的魚缸里。提案者解釋，因為圓形魚缸的彎曲面，會讓金魚眼中的“現實”世界變得扭曲，這對金魚而言太殘忍。

這個提案看上去很荒唐，對嗎？

在這背后，卻有一個哲學和物理學迷思：金魚看見的世界與我們看見的不同，我們何以知道我們看到的就是一個“不扭曲”的世界？

我們所感知到的“現實”就一定是真實的嗎？

以上，就是斯蒂芬·霍金在著作《大設計》中提出的“金魚缸論證”。

探究黑洞，是因為我們并不甘心透過“魚缸”看世界。