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谁令时空颠倒

2011-09-15 10:45 作者:苗千来源:三联生活周刊 2011年第37期
正是因为一切物质甚至包括光线只要一进入黑洞的视界,就都无法再逃离,所以人类永远无法直接探测到黑洞的存在。

17世纪的英国诗人安德鲁·马维尔(AndrewMarvell)写过一首情诗《致羞涩的情人》(ToHisCoyMistress),至今被认为是英文诗的佳作,它的韵律有如莎士比亚,音节柔美而又分明,一字一句读出来的字符仿佛打在人的心脏上。诗人劝他的情人珍惜恋爱时的美好时光,不要蹉跎:

如果我们的世界够大,时间够多,(Hadwebutworldenough,andtime,)

小姐,这样的羞怯就算不上罪过。(Thiscoyness,Lady,werenocrime.)

我们会坐下来,想想该上哪边(Wewouldsitdownandthinkwhichway)

去散步,度过我们漫漫的爱情天。(Towalkandpassourlonglove'sday.)

……

让我们把所有力气,所有(Letusrollallourstrengthandall)

甜蜜,滚成一个圆球,(Oursweetnessupintooneball,)

粗鲁狂猛地夺取我们的快感(Andtearourpleasureswithroughstrife)

冲破一扇扇人生的铁栅栏:(Thoroughtheirongatesoflife:)

这样,我们虽无法叫太阳(Thus,thoughwecannotmakeoursun)

驻足,却可使他奔跑向前(Standstill,yetwewillmakehimrun.)

这首情诗(陈黎译)并非只会让恋爱中的男女感慨,也容易让宇宙学家们产生联想。在我们的宇宙中,并非只有看上去浪漫的星河灿烂,主宰一切的质量与能量也会布下危险的黑色陷阱。宇宙中时间与空间成为一体而被质量和能量随意扭曲拖曳,到了极致就是遍布宇宙、安静却可以吞噬周围的一切、我们却永远都无法看到的黑洞。

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美国科学家罗伯特·奥本海默(左)正在向记者爱德华讲解他的黑洞理论(摄于1954年)

黑洞并非什么神奇的天体,它遵循一切物理定律,它的形成机制也不难解释,就是无处不在的引力。当某些宇宙天体的生命走到尽头、自身的引力变得极端、开始压倒一切的时候,就有可能变成黑洞。正是因为一切物质甚至包括光线只要一进入黑洞的视界(EventHorizon),就都无法再逃离,所以人类永远无法直接探测到黑洞的存在,也是因为如此,黑洞也算得上是最“黑”的东西。从理论推导,到怀疑,到深信不疑,人类认识黑洞的历史算得上就是宇宙学发展的历史,黑洞也不断改变着人类的宇宙观。

在牛顿发现万有引力定律之后,早在18世纪,英国科学家约翰·米歇尔(JohnMichell)和法国数学家拉普拉斯(Pierre-SimonLaplace)就分别提出过设想:因为万有引力,可能存在一种足够小并且足够重的天体可以吸引周围的一切,甚至连光线都无法逃脱。只是这种设想在当时无法得到证实。在整个19世纪,这个设想并不受欢迎,因为在1801年,托马斯·扬通过双缝衍射实验无可争议地证明了光不是一种粒子而是一种波,当时人们认为波不会被引力所束缚,黑洞设想也就成了一种无稽之谈。直到95年前诞生了广义相对论,黑洞的存在才有了科学基础,也使人类研究和探索黑洞成为可能。

印度裔美国物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(SubrahmanyanChandrasekhar)1946年在芝加哥大学做题为《科学家》的演讲中,把自然科学分为基础科学和衍生科学两类,他认为就像发现原子结构,发现中子与电子都属于基础科学,而发现哈雷彗星和了解双星系统则属于衍生科学。衍生科学虽然没有揭示新的科学领域,却极大地拓展了人类对于自然和宇宙的认识,可以促进基础科学的发展。这位日后被朋友们习惯称为“钱德拉”的科学家,正是因为一生主要研究属于衍生科学领域的黑洞而被人们所铭记。从小就展示出非凡的科学研究天赋的钱德拉,在1930年乘坐“Pilsna号”轮船从印度前往英格兰,他打算在剑桥大学跟随物理学家拉尔夫·福勒(RalphFowler)学习。福勒当时正在研究宇宙中白矮星的性质,这也正是钱德拉当时的兴趣所在。福勒当时通过牛顿力学得到的计算结果显示,白矮星的密度与其自身的质量有关——这与人们的直觉相符,越大的星球其自身引力也就越大,因此也就会更加紧密。在船上无聊的时光中,钱德拉试图用狭义相对论来描述白矮星中电子的行为,并且进行计算,结果他得出了一个令他自己都感到震惊的结论:白矮星的质量越大,其半径越小。当白矮星的质量大过一定极限时,它的密度将趋于无穷。这个质量的极限,后来被人们称为“钱德拉塞卡极限”——这次航行中19岁的少年钱德拉得出的结论,在不久之后将永远地改变人类以往田园牧歌式的宇宙观。

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