物理學家很喜歡研究的黑洞,為什麼會被愛因斯坦拒絕

時間 2021-09-12 15:52:46

1樓:匿名使用者

雖然愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞,但是愛因斯坦曾拒絕這個預言。這是為什麼呢?

那時,「黑洞」之名還未崛起,被稱為「史瓦西奇點」的它,與如今的聲名赫赫大相徑庭。愛因斯坦、愛丁頓等廣義相對論大牛都視其為200多年前「暗星」的一種虛妄延續。

從2023年的猜測,到2023年至2023年的爭論,物理學家實際都在討論黑洞是否存在這個問題。

在激烈的討論中,黑洞逐漸建立起了其宇宙咖位,即便在這幾百年間遭遇了太多的誤解,但依舊保持風度走進了當今物理學家的視野,並越發深入人心。

從初識,到相知,我們對黑洞到底有過那些誤解?而如今我們又是如何看待它的呢?

起源:星辰大海中的幽冥之思

2023年,一個英國人在假想的星球上向天空開了一炮,炮彈出堂速度為30萬公里/秒。

這個人是英國自然哲學家米歇爾(john michell),他大膽將當時盛行的光粒子說與牛頓的引力定律進行了結合,做了一個光炮彈的思想實驗。

那時人們已經知道,雖然我們都被引力束縛在地球上,但只要速度足夠大就可以擺脫地球的引力束縛。能擺脫這種束縛的最小初速度,稱為「逃逸速度」。在地球表面,這個速度為11.2公里/秒。

反過來說,如果速度達不到逃逸速度,物體都會被引力拽下來。

米歇爾用牛頓的引力定律,證明了一個天體逃逸速度的平方與其質量成正比,與其半徑成反比。質量不變半徑越小,天體的逃逸速度就越大。

如果能壓縮一個星球的半徑,逃逸速度就可以超過30萬公里/秒,這意味著這個星球讓光都無法逃逸。在這樣的星球上,米歇爾的光炮彈永遠無法飛向太空。

以地球為例,只需將其壓縮到半徑僅1/3英寸,一顆巧克力豆大小,就會產生這樣的效果。

這樣高密度的星球可能嗎?米歇爾認為可能,他甚至覺得夜空中存在著大量這樣看不見的幽冥星球,並稱呼它們為「暗星」,這就是最早、最原始的黑洞概念。

2023年11月27日,米歇爾向皇家學會彙報了關於暗星的預言。2023年後,法國自然哲學家拉普拉斯(pierre simon laplace)才在他的名著《宇宙體系論》的第1版裡,提出了相同的預言。

爭論:光革命帶來的認知顛覆

然而2023年,托馬斯·楊(thomas young)發現了光的雙縫干涉現象,讓當時光學「波粒之爭」的天平傾向了惠更斯(christiann huygens)提出的波動說。牛頓光粒子說的主流地位由光波動說所代替。

像炮彈一樣受引力影響的光粒子變成了似乎不會受引力影響的光波(那時的人們還不知道引力會對光波產生怎樣的作用)。大概因為這個原因,拉普拉斯的《宇宙體系論》從第3版開始刪除了有關暗星的描述。暗星概念隨之沉寂,無人問津。

直到100年後,愛因斯坦平衡了光學的理論天平,終結了光的「波粒之爭」,發展出了光的「波粒二象性」。

2023年11月,廣義相對論更是橫空出世,讓物理學家再次建立起了引力對光作用的認知,只是這一次是以「時空曲率」的概念。引力是時空曲率的直觀感受,而光與一切物體在不受外力的情況下,必定在時空中以「短程線」運動。

所謂的「短程線」,可以說是時空中真正的最短路徑,而日常說的「直線」更多是一種感官定義。

廣義相對論發表後,不到一年。2023年,米歇爾和拉普拉斯的暗星預言,經一位德國炮兵校尉:史瓦西(karl schwarzschild)之手,以一種更加古怪的方式呈現在了物理學界。

當時,還在**前線戰壕蹲坑的史瓦西,以一種簡潔有效的方式:拋棄天體複雜的旋轉問題,根據廣義相對論的場方程,計算出了任意無旋轉球狀天體內外的時空曲率,並得出了一個描述黑洞的精確解。

以光速為逃逸速度,任何天體都有一個以史瓦西半徑,這也剛好對應米歇爾和拉普拉斯計算出的暗星臨界周長。不過因為有「時空曲率」概念的加持,空間的捲曲意味著光無法逃離,時間的捲曲還意味著時間流速的減慢(時間膨脹效應)。

然而,愛因斯坦對「天體被壓縮到史瓦西半徑之後」會塌縮為一個奇點的觀點卻皺起了眉頭。

反駁:愛因斯坦的拒絕

在欣賞史瓦西計算出的天體時空曲率的同時,愛因斯坦卻不認為自然界存在「史瓦西奇點」,畢竟沒有什麼天體是不旋轉的。再加上對恆星塌縮的不瞭解,愛因斯坦武斷拒絕了廣義相對論的這個理性財產。

2023年,愛因斯坦甚至還專門發表了一篇廣義相對論的計算文章,以解釋自然界為什麼不可能存在「史瓦西奇點」。

他假想了一個靠著引力吸引而聚集在一起的運動粒子集團,然後通過計算證明了當這個集合越來越緊密時,球面上的引力就會增強,而在球面上運動的粒子為了產生足夠的離心力,就必須運動地更快。

然而,當這個集團小於1.5倍臨界周長時,引力會變得非常巨大,表面上的粒子就不得不超過光速。所以粒子集團不可能小於1.5倍臨界值。

甚至愛因斯坦還計算了天體內部壓力,得出當一個天體的周長被壓縮到1.125倍臨界周長時,中心的壓力就會成為無限大,但無限大的壓力不可能存在。所以天體也就不可能小於1.

125倍臨界周長。

愛因斯坦的計算是正確的,但他的理解卻錯了。這是因為在那個時代,物理學家們有一種傾向性觀念:一個天體能得以存在,必須內力與外力平衡。然而事實卻是內力是可以捨棄的。

在這次認知黑洞的戰役中,曾幫助愛因斯坦洞察引力的直覺,卻阻礙了他對黑洞的洞察。由此可知,正確的結果有時並不一定能得到正確的答案。

認知:黑洞架起了廣義相對論與量子力學的橋樑

從20世紀20年代到50年代,物理學家對「史瓦西奇點」的研究,實際上都只在針對一個問題:自然界允許存在這種物體嗎?

直到60年代後期,數學家克爾計算出了旋轉黑洞的精確解,天文學界在黑洞觀測上也有了進一步的發現,支援黑洞存在的證據開始壓到一切質疑。2023年,「黑洞」這個名字正式被美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒(john archibald wheeler)叫響。大多數物理學家才開始認真面對黑洞。

60年代以前,人們主要都是利用廣義相對論研究黑洞的時空結構。這個時代黑洞物理學研究的主要成就,屬於黑洞的經典理論。

如2023年,由沃納·以色列(werner israel)證明的「**定理」,該定理規定事件視界必須是完全平滑的,以此定理還可推匯出黑洞在巨集觀上只由質量、角動量、電荷三個物理量決定,進階為「三毛定理」。

以及2023年,霍金證明的黑洞「面積定理」,即在黑洞事件視介面積在順時方向永不減小。這意味著黑洞只能合併,絕對無法**。當時霍金還根據經典理論證明了黑洞的溫度是絕對零度,不過這後來被他自己又證偽了。

60年代後,黑洞開始了全新的熱力學方向的研究。

在以色列物理學家雅各布·貝肯斯坦(jacob bekenstein)的黑洞熵概念的啟發下,2023年霍金提出了「霍金輻射」,即由於真空漲落,在黑洞附近產生的虛粒子對,有可能被事件視界分開,一個虛粒子掉進黑洞,另一個成功逃跑,進而轉變為一個實粒子。

這在遠處的觀察者看來,就像黑洞在輻射一樣。而且由於黑洞內外時空結構的不同,掉進去的大多是負粒子,所以黑洞會由於霍金輻射而失去質量。輻射也意味著黑洞有溫度。

一個5倍太陽質量的黑洞,理論溫度約10^-7k,不吃不喝也需要10^62年才會消失殆盡。黑洞的溫度與質量成反比,所以黑洞質量越小,輻射越強,溫度越高,壽命也越短。

霍金輻射的出現,可以說開啟了黑洞量子領域的研究。黑洞會蒸發,意味著它吃進去的資訊總有一天會消失,這是量子力學不允許的,為了對抗黑洞資訊悖論,出現了互補原理、全息原理,進而又引出了黑洞火牆悖論。

至今,如何處理這些悖論依舊是一個謎。

2樓:o姐林語菡

因為當時愛因斯坦對恆星塌縮不瞭解,不認為世界上存在「史瓦西奇點」,所以拒絕研究黑洞。

3樓:小張遊戲快報

因為愛因斯坦認為世界上根本沒有黑洞,認為研究這個是沒有意義的。

4樓:技術小輝

因為黑洞太恐怖、太神祕了,研究黑洞的話會浪費太多的時間,不如去研究其他對人類更有用的東西。

物理學家都喜歡研究黑洞,為何唯獨愛因斯坦卻拒絕黑洞呢?

5樓:三十五

因為愛因斯坦認為黑洞會吞噬一切,如果研究它早晚也會把人類給吞噬掉,到那個時候就人類就會滅亡,所以愛因斯坦拒絕研究。

6樓:秋風體育

因為愛因斯坦覺得黑洞是不存在的,打破了他的認知。

7樓:希文耀

因為黑洞本質上,是時空曲率無限大的一個「維度坑洞」;而這個設想,恰好是從愛因斯坦提出的「廣義相對論」中推演出來的。

愛因斯坦為什麼拒絕接受量子力學。

8樓:日天日地

愛因斯坦當初並不反對量子力學,而是反對量子力學的根本哈根詮釋中,那種模稜兩可的詮釋。

愛因斯坦是量子力學的創始人之一,他解釋光電效應的**還獲得諾貝爾物理學獎;量子力學本是一個泛概念,在量子力學誕生之初,波爾等人建立起來的量子力學系統稱為根本哈根詮釋。

比如不確定性原理、波函式坍縮原理就是根本哈根詮釋的基本原理,現在根本哈根詮釋已經成為量子力學的正統解釋,我們一般談量子力學,都預設指量子力學的根本哈根詮釋。

愛因斯坦和波爾之間對量子力學的爭論,是上世紀最著名的學術爭論,愛因斯坦非常反對根本哈根詮釋中,那些模稜兩可的解釋,比如不確定性原理是量子的內秉屬性,波函式坍縮只告訴你塌縮結果,不能描述坍縮過程和坍縮原因。

就好比扔一個骰子,量子力學告訴有6種結果,每種結果出現的概率是1/6,但是卻不能瞭解扔出骰子到骰子選擇一個結果的過程。

在現實生活中,如果用高速攝像機記錄,就能知道骰子在空中翻了多少圈,移動了多少距離,整個過程遵循牛頓力學,本質上知道骰子扔出時的一切資料,就能預言骰子最終的點數。

但是在量子力學根本哈根詮釋中,是完全禁止知道過程的,愛因斯坦正是無法接受這點,所以他非常反對哥本哈根解釋,並說出了那句著名的話——上帝不擲骰子!

愛因斯坦認為,根本哈根詮釋是不完備的,之所以量子看起來是隨機的,那是因為我們沒有掌握其中的未知變數,就好比擲骰子中不知道骰子丟擲去時的引數,一旦我們掌握了這些變數,那麼量子就不再是隨機的了。

基於這個思想,愛因斯坦試圖一個新的量子力學理論,現在叫做「隱變數詮釋」,其實就是量子力學的另外一種解釋,後來無漏洞貝爾實驗證明貝爾不等式不成立,實驗徹底否定了隱變數詮釋。

也就是說,目前的量子力學奉根本哈根詮釋為正統,愛因斯坦的隱變數詮釋已經被證實是錯誤的,愛因斯坦在量子力學的觀點上站錯了隊,但並不妨礙他推動量子力學的發展。

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