天文学家史瓦西西：黑洞是什么？

黑洞，是人们耳熟能详的天文概念，也常被引申出天文学之外的含义。然而，与其他经典天文概念不同的是，黑洞概念的提出不过是近一个世纪的事，直到上世纪末才有确凿证据证实黑洞的存在。真正能通过视觉感知的黑洞“真面目”，则是在2019年才实现的。

爱因斯坦的广义相对论提出后，很快被日食过程中恒星所在位置等天文观测证实。应用广义相对论进行一番理论计算后，德国天文学家史瓦西给出了天体附近时空结构的特征，同时还推断出一种特别天体的存在。对于特定质量的天体，如果它的半径小于根据质量计算出的“史瓦西半径”，那么这个天体附近时空的曲率将足够大，使得一切物质只要落入“史瓦西半径”以内的范围，便难以逃脱，甚至包括光线传播的载体——光子。于是，在黑洞周围，存在一个叫作“视界”的范围。就像太阳落到地平线之下后，其发出的光芒就无法为人所见一样，在视界之内，包括光在内的任何信息都无法逃脱黑洞引力，外界观测者无法感知视界之内的信息。

有趣的是，史瓦西提出黑洞存在的可能，相关理论计算并不是在大学或研究所的办公室里，而是在烽火连天的战场上完成的。

1914年，刚满41岁的史瓦西已获得了丰硕的学术成果，成为有名的哥廷根大学教授，还获得了普鲁士科学院院士头衔。第一次世界大战爆发后，史瓦西成了军队一员，负责炮兵部队中的弹道计算工作。1915年，史瓦西在作战前线第一次读到了爱因斯坦广义相对论的相关内容，迅速理解了其中要义。在几个星期内完成了黑洞理论的计算，并将有关成果写成论文发表。然而，战争摧毁了他的健康。1916年，罹患一种免疫性疾病的他不得不从战场返回，几个月后便去世了。

史瓦西完成了“黑洞是什么”的理论计算，而原子弹之父奥本海默则在1939年完成了黑洞“如何形成”的理论计算。现在，天文学家一般认为，黑洞形成于大质量恒星在寿命末期的坍缩。上世纪五六十年代，天文学家将黑洞称为“引力完全坍缩星球”。1967年，物理学家惠勒正式提出“黑洞”这一简洁术语，来指代这种特殊星体。

虽然黑洞在理论上存在的可能性得到了物理学家和天文学家肯定，但要证实黑洞存在，还要从实际观测中找到证据。上世纪七八十年代，天文学家陆续观测到一些短时间内释放出巨大能量的天文现象，推断这些现象的能量来源正是黑洞。

确凿证据来自天文学家格兹对银河系中心天体的观测。建在夏威夷高山上的凯克天文望远镜，主镜口径达10米，能观测遥远宇宙中的暗弱天体。即便如此，凯克望远镜最初的性能仍无法满足格兹所要开展工作的需求。于是，格兹提出了一种对凯克望远镜原始观测数据进行再处理技术，利用多幅观测影像的相干分析，将观测图像的分辨率再提高20倍。这样，格兹就能提取到银河系中心一些恒星的运动信息。通过分析计算，格兹在1998年发现了20颗正以超高速围绕银河中心旋转的恒星。格兹认为，银河中心控制这些恒星的天体，质量高达太阳的260万倍。

望远镜并没有在那里发现质量如此巨大的发光物体，而唯一可能存在的天体就是黑洞。这个划时代发现，为一个世纪以来的黑洞理论找到了确凿证据，也让格兹成为2020年诺贝尔物理学奖的获奖人之一。

天文学家史瓦西西：黑洞是什么？

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