暗星

大质量物体可能会依靠自身的引力束缚住光,这个想法实际上在爱因斯坦研究光线和引力之前很久就出现了。1783年,英国科学家约翰·米歇尔(John Michell )牧师,曾经利用牛顿引力计算了光粒子从恒星表面的逃逸速度。2他所导出的方程,本质上与决定火箭脱离地球或月球引力所需速度的方程是一致的。米歇尔假设光是由无质量的粒子组成的——这个观点在当时非常流行——并发现了能使逃逸速度大于当时所测光速的“暗星”质量。在这样一个恒星附近,光永远也不能逃脱引力的影响。无论是向上抛出的小球,还是发射升空的火箭,甚至是无质量的光粒子,当它们的速度低于逃逸速度时,就一定会掉下来。

然后托马斯·杨(Thomas Young)出现了。在18世纪末到19世纪初的这段时间里,杨完成了一系列讨论光的波动性的实验。这些结果打击了有关光粒子性理论的热情(至少在当时而言;当前量子理论认为光既是波又是粒子),并使人们对暗星的讨论从科学领域消失了差不多100年。

当第一次世界大战爆发时,这个概念又悄悄地回归了。1915年11月,在俄国前线驻防的一位中年德国战士停下了他的弹道演算,并阅读了普鲁士科学院学报(Proceedings of the Prussian Academy of Sciences)的最新期刊。卡尔·施瓦茨柴尔德(Karl Schwarzschild),这位著名的天体物理学家(当时已经年过四旬)在第一次世界大战爆发时志愿服兵役,但仍然尽可能挤时间钻研科学。在读完爱因斯坦关于空间、时间和引力的新理论之后,施瓦茨柴尔德计算了由单个球形物体产生的时空曲率,并得到了爱因斯坦方程的第一个精确解。3

考虑到他的战友可能不是欣赏一篇有关广义相对论论文的最佳听众,施瓦茨柴尔德把他的演算结果寄给了爱因斯坦。爱因斯坦对施瓦茨柴尔德的工作留下非常深刻的印象,并被授权代表他向普鲁士科学院宣读这一成果。

施瓦茨柴尔德从俄国前线寄来的信件中包含了黑洞理论的雏形。他给出的爱因斯坦方程的解适用于相对常规的天文学对象(如恒星和行星),但也允许巨大质量物体的出现(甚至连光也不能脱离)。根据他的演算,对于任一给定质量都存在一个临界半径。而一个将全部质量压缩在“施瓦茨柴尔德半径”之内的物体,就会在时空中产生一个强烈的变形,以至于任何物质都不能从中逃脱。