牛顿和爱因斯坦为何没有预言黑洞的存在?

1687年,牛顿在《自然哲学的数学原理》中发表了万有引力,最先给黑洞的概念埋下了种子。

牛顿的黑洞

万有引力的出现使天上的星星之间有了联系,它们之间由引力相互吸引着,而更小的尺度下,星球上的一切也被引力支配者,例如:熟了的苹果会被重力拉扯到地面上,重力是地球对苹果施加得引力中的大部分分力。

我们站在地面上水平方向射出去一颗子弹,打到对面的墙上,在我们看来子弹走的似乎是直线。实际上,一颗子弹拿在手上沉甸甸的,说明子弹具备一定的质量,沉甸甸是我们感受到了它的重力,这个力同样是引力施加给它的。当子弹在飞行的过程中同样会受重力影响,也就是说实际上它走的是抛线,并非直线。

重力对于子弹的影响就是会让它产生一个向下的加速度g,其值是9.87m/s^2,我们暂且约等于10。换句话说,如果子弹在1秒内并没有打到对面的墙壁上,那么在飞出去1s时,它具备一个方向向下(所受重力方向)10m/s的速度,此刻子弹已经向下移动了0.5米,也就是如果你瞄着的是头,1s时击中的其实是身体。

我们站在珠穆朗玛峰上水平打出一发子弹,前面根本没有障碍物,如果子弹没有上述我们所说的重力,它会直接飞出地球,因为有重力的影响,它会不断的向下移动,加速是g。重点来了:如果子弹的速度足够大(忽略空气阻力,忽略大气层与它相互作用使它烧成灰烬),当它飞出地球时,重力的位移没来得及让它接触到地面,它会出现环绕地球运动的效果。

图:子弹飞出枪膛瞬间速度达到第一宇宙速度7.9m/s

如果它速度再快一点,当它离地球越来越远,地球对它引力越来越小,它将逃脱地球引力的控制。

图:达到第二宇宙速度11.2m/s,也叫逃逸速度。

如果一个星球的引力太大,使得逃逸速度大于等于光,也就是在这个星球内,照出一道光都被引力拉回去,那么这个星球没有任何光线溢出。

18世纪天文的先驱英国牧师米歇尔与法国天文学家拉普拉斯就提出了“非发光”天体的存在,而拉普拉斯的数学模型就是一定质量M的天体,它们的逃逸速度是光速反推出它所需要的半径需要多么的小,这就是基于上面万有引力与逃逸速度的“非发光”天体的数学模型。

后来科学家对光的性质存在一定争议(光的波动性),对于非发光天体的研究热情逐渐褪却,这里不赘述了。

爱因斯坦的黑洞

黑洞再被提起是爱因斯坦1916年广义相对论的发布,广义相对论描述引力并非力的作用,而是时空的几何性质。惠勒言简意赅地说:质量压弯了时空,时空告诉物质如何运动。

如果再通俗点说就是:光只会沿着时空中的一个方向前进,质量越大,越致密的天体所形成的引力(场)越强,场中的时空发生了扭曲,出现了一定的曲率,而无论物质或者光都只能在时空中运动,因此只能沿着扭曲时空中的最短路线移动,这条最短路线我们叫测地线。

在外界看来实际上,光进入引力场中发生了弯曲。爱因斯坦在发表《广义相对论》的同时,还给出了基于广义相对论计算星光经过太阳引力场的偏移程度,然而阳光太刺眼了,根本无法观察。

1919年爱丁顿带领团队通过对日食时,太阳附近星光的观测,并比对计算星系本应所处的位置。研究发现观测照片中恒星的位置与实际位置并不相符,说明星光确实发生了偏转,而通过《广义相对论》进行计算发现可以得到恒星的真实位置,从而验证了引力场会弯曲光线,也验证了广义相对论的正确性。

让广义相对论彻底颠覆牛顿《万有引力》的是水星近日点进动,简单来说就是万有引力计算下的水星轨道的运动存在一定的偏差,虽然这个偏差很小,但一直困扰着大量天文学家,而基于广义相对论的计算可以完美的符合水星的实际运动轨迹,而太空中星系之间的联系引力又起着至关重要的作用,因此《广义相对论》的引力更胜于牛顿的引力。

在广义相对论发表之后,史瓦西得到了广义相对论中的一个解,虽然这个解与牛顿逃逸速度得到的黑洞看似相同,但实际意义不同,牛顿的强调的是引力的吸引使光无法逃离,而广义相对论中的黑洞则是光沿着极度扭曲的时空运动,自己走进了黑洞。结果或许一样,但是意义完全不同,一个是力的作用,一个是时空的几何。

综上所述,你会发现无论是牛顿还是爱因斯坦都是构建了一个框架,而框架有很多“种子”,黑洞只是其中一个种子,而相比广义相对论的解,爱因斯坦更迫切证明《广义相对论》的正确性,通过观测黑洞来证实广义相对论,难度远远大于引力场对光线的偏转,因为星光易测,黑洞难寻。