“原子弹之父”罗伯特·奥本海默也是黑洞

　　“原子弹之父”罗伯特·奥本海默旁边的黑洞插图。(图片鸣谢:ESO、ESA/哈勃、M. Kornmesser/ Robert Lea)

　　据美国太空网（罗伯特·李）：在成为“原子弹之父”之前，j·罗伯特·奥本海默对黑洞科学做出了重大贡献。

　　不管是好是坏，奥本海默将永远与原子弹不可思议的破坏力和蘑菇云的形象联系在一起，蘑菇云是一种接近圣经的毁灭象征。随着今天(7月21日)克里斯托弗·诺兰备受期待的关于这位物理学家的传记电影《奥本海默》的上映，这种联系只会在公众眼中得到加强。

　　但在1942年前往新墨西哥州洛斯阿拉莫斯参与原子弹的研发之前，奥本海默是一名专注于量子物理的理论物理学家。

　　1939年，他和他在加州大学伯克利分校的同事哈特兰·斯奈德(Hartland S. Snyder)发表了一篇题为《论持续的引力收缩》(On continuous gravity construction)的开创性论文，该论文使用了阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论广义相对论的方程来展示黑洞是如何诞生的。

　　“奥本海默提出了第一个坍缩模型来描述恒星如何坍缩成黑洞，”英国苏塞克斯大学的物理学教授Xavier Calmet告诉Space.com。“这个模型将黑洞的形成解释为一个动态的天体物理过程，即足够重的恒星演化的最后阶段。这种模式一直沿用到今天。”

　　卡尔梅特说，他最近自己使用了这个模型，在一篇描述考虑量子引力时黑洞坍缩的论文中。

　　“这个模型非常重要，因为它在分析上是可解的——解方程可以用纸笔完成，不需要数值计算。因此，所有的物理现象都很容易追踪，”他说。“然而，尽管它很简单，甚至可能很粗糙，但它足够复杂，足以描述一颗塌缩恒星的许多特征。”

　　具有讽刺意味的是，就在奥本海默和斯奈德撰写这篇论文的时候，该论文在很大程度上依赖于1915年的广义相对论，而该理论之父爱因斯坦自己也在完成旨在证明黑洞不可能存在的研究。

　　当然，历史会证明奥本海默关于黑洞的观点是正确的。

　　奥本海默推动极限

　　在奥本海默提出恒星坍缩和黑洞诞生理论的八年前，另一位理论物理学家正在思考，当恒星耗尽核聚变所需的燃料时会发生什么。

　　当这种燃料耗尽时，一颗恒星不再能支撑自己对抗引力坍缩。当恒星的外层脱落时，其核心迅速收缩，留下奇异的恒星残骸。残留物的性质取决于恒星核心的质量。

　　印度裔美国物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡意识到，对于质量小于太阳1.4倍的恒星核心，由于量子效应阻止粒子“挤压”得太近，引力坍缩会停止。

　　这将被称为钱德拉塞卡极限，任何低于它的恒星——除非它有一个恒星伴星为它提供物质——都注定要作为一个被称为白矮星的闷烧恒星残余物而结束它的存在。这将是我们的恒星太阳在大约50亿年后耗尽其核心的氢后的命运。

　　对于至少比太阳大1.4倍的恒星核心来说，重力坍缩过程中产生的压力和热量足以引发进一步的核聚变，氢本身聚变产生的氦锻造出更重的元素，如氮、氧和碳。

　　最大质量的恒星会经历一系列的坍缩和核聚变。但是奥本海默和他的学生想知道这条引力坍缩路径通向哪里，因此，宇宙中最大的恒星的最终状态是什么。

　　这个答案已经由一位德国物理学家在1916年给出了。奥本海默只需要找到如何到达那里。

　　黑洞的两次诞生

　　1915年，第一次世界大战期间，在德国前线服役的天文学家卡尔·史瓦西得到了一本爱因斯坦的广义相对论。令人震惊的是，令爱因斯坦震惊的是，在这些极其恶劣的条件下，史瓦西设法计算出了广义相对论场方程的精确数学解。

　　在这些解决方案中潜伏着两件令人不安的事情——被称为“奇点”的地方，在那里我们所知道的物理学完全崩溃了。这些奇异点表明重力如此之强的物体的存在，以至于它们可以“吞噬”光。

　　其中一个奇点被认为是坐标奇点，可以通过一点巧妙的数学操作来消除。这个坐标奇点将被称为史瓦西半径——在这个点上，物体的引力变得如此之大，以至于脱离其束缚所需的速度大于光速。

　　这个单向陷光表面被称为“事件视界”，它代表了黑洞的外部边界。

　　美国宇航局的黑洞插图，漆黑的心被视界包围。(图片鸣谢:美国宇航局戈达德太空飞行中心/背景，欧空局/盖亚/DPAC)

　　另一个奇点，即真正的奇点或引力奇点，不能用数学方法来处理。没有任何东西可以移除它，所以它过去是，现在仍然是物理学完全崩溃的点——黑洞的心脏。

　　这是黑洞概念的理论诞生，但它没有说这些宇宙巨人的创造——只是说它们可以存在。

　　当爱因斯坦在1939年努力摧毁这个引力奇点，从而摧毁黑洞的概念时，奥本海默正在钻研这些物体是如何存在的。

　　从忽略量子效应和不考虑旋转的简单假设出发，奥本海默让斯奈德开始工作。当后一位研究人员发现塌缩恒星上发生的事情取决于观察者的视角时，这一发现得到了回报。

　　斯奈德的理论是，在离塌缩恒星一定距离的地方，来自事件视界附近的光源的光，其波长会被引力拉长，这一过程被称为红移，它会变得越来越红。

　　同时，从观察者的角度来看，这种光的频率正在降低。对于远处的观察者来说，这种频率的降低一直持续到光被有效地“冻结”

　　奥本海默和他的合作者意识到，对于一个不幸与塌缩恒星表面一起坠落的观察者来说，故事是完全不同的。处于这个位置的观察者将会落在视界之外，而不会注意到任何有意义的东西。

　　当然，在现实中，观测者会被强烈的潮汐力“隔离”，这种潮汐力是由他们上半身和下半身的引力差异造成的。这将在它们触及视界之前杀死它们，至少对于较小的黑洞来说是这样，在这些黑洞中，史瓦西半径接近引力奇点。

　　这一概念最初被称为“冻结恒星”，因为在活动视界中光线明显冻结。直到1967年，普林斯顿大学的物理学家约翰·惠勒在一次演讲中创造了“黑洞”这个术语，它才获得了一个更熟悉、更响亮的名字。

　　Oppenheimer和他的同事可能走了一条与Schwarzschild不同的道路，但两个物理学家团队仍然到达了相同的目的地:恒星体的概念如此之大，以至于它的引力捕获了光并导致了无限的红移。史瓦西有这个理论，但是奥本海默和他的同事是第一批真正理解黑洞物理诞生的科学家。

　　三年后，奥本海默将前往洛斯阿拉莫斯，巩固他在历史上和公众心目中的地位。但是许多人，尤其是科学家，都记得他是黑洞之父。

　　“奥本海默对黑洞物理学和物理学整体做出了非常重大的贡献，”卡尔梅特总结道。虽然公众可能会把他的名字与原子弹和曼哈顿计划联系在一起，但他对物理学和天体物理学的贡献受到了科学界的高度赞赏。

　　“他生前是最重要的物理学家之一，极具影响力，他的开创性工作至今仍有意义。”