引力和广义相对论对中子星和黑洞的影响

在这些问题中，引力一直处于中心地位，它是支配宇宙的基本作用力。引力决定了行星的轨道，支配着恒星和星系的演化，并且还决定了宇宙的最终命运。17世纪，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）提出了万有引力理论，这个理论能够精确地描述宇宙飞船飞向火星、飞向木星的轨迹；对于距离更远的太空旅行，它的描述也是非常成功的。但是，自从1905年艾尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出狭义相对论，废除了信息是瞬时传播的观念以来，物理学家就已经认识到，当物体的运动速度接近光速时，牛顿理论是失效的。然而爱因斯坦的广义相对论（发表于1916年）却能在引力非常强的情况下仍然保持有效。

广义相对论被认为是20世纪物理学的两大支柱之一；另一个是量子理论。量子理论为我们理解原子以及原子核等微观世界带来了观念上的深刻变革。但爱因斯坦的智慧更令人惊讶，因为他与量子理论的创立者们不同——当时没有任何无法解释的实验能够让他得到启发。

在爱因斯坦发表广义相对论之后的50年中，天文学家没有发现任何物体的引力能够达到爱因斯坦理论的极限。直到60年代早期，人们发现了一种超亮物体（类星体），情况才有所改变。对于类星体，看样子需要有一种更强有力的能量来源机制来解释它的一些现象，因为恒星内部的核聚变是不会产生这么高的能量的。目前最有说服力的解释是引力的塌缩机制。美国理论物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold）的一席话，表达了当时理论物理学家们的激动心情。1963年，针对相对论天体物理学中的类星体问题，人们在达拉斯举行了第一次大会。在会议期间的一次饭后演说中，戈尔德讲到：“相对论者们的那些精密复杂的工作不再仅仅是华丽的文化装饰品了，如今它们已经成为科学的一部分！所有的人都感到高兴：相对论者们感到高兴，因为他们得到了认同，而且突然之间，他们就成为一个领域的专家了，而在此之前他们却几乎不知道这个领域的存在；天体物理学家们也感到高兴，因为这扩大了他们的研究领域。……所有的事情都这么令人高兴，所以让我们预祝它成功吧！”

人们利用射电天文学以及X-射线天文学的最新技术对类星体进行了观测，观测的结果证实了戈尔德的乐观估计。50年代以前，世界上最好的光学天文望远镜主要集中在欧洲，而到了50年代，它们却又都集中到美国了，特别是加利福尼亚。这一转移既有气候上原因，也有资金方面的原因。然而，从太空传来的无线电波可以穿透云层，所以欧洲（和澳大利亚）发展射电天文学并没有任何气候上的障碍。

我们可以很容易地识别出宇宙中的某些最强的无线电噪声源，其中之一就是巨蟹座星云。1954年，中国的天文学家观察到了一颗超新星的爆发，巨蟹座星云就是由那颗超新星爆发所遗留下的残骸形成的。其他噪声源都是距离非常遥远的银河系外物体，其中包括我们现在所知的巨型黑洞。这些发现都大大出乎于人们的预料。尽管现在已经很清楚了，但在当时确实没有人能够解释这类天体发射无线电波的物理机制。

1967年，安东尼·休威士（Anthony Hewish）和杰斯林·贝尔（Jocelyn Bell）发现了中子星，这一偶然的发现是射电天文学最伟大的成就之一。中子星是某些超新星爆发后在其中心遗留下来的高密度残骸。我们观测到的中子星是以脉冲星的形式出现的：它们自身在旋转，有时每秒钟能旋转许多圈；它们每旋转一周都会剧烈地发射一束掠过我们视线的无线电波。中子星对于极端物理学（高密度、强磁场和强引力）的研究是非常重要的。

1969年，人们在巨蟹座星云的中心发现了一束极快的脉冲（30赫兹）。进一步的观测表明，脉冲的频率是在逐渐减小。如果储存在恒星内部的能量是逐渐转化成粒子风以保持其亮度的，那么这是很自然的事情。有趣的是，这种脉冲每秒钟可以发射30次，这么高的速度看起来就像稳定的辐射源一样。如果这种小恒星的亮度不变但旋转慢一些的话（比如，每秒旋转10圈），那么它的这种不同寻常的特性可能早在70年前就被发现了。如果在发现中子之前的20年代，人们就已经发现了超高密度物质，那么20世纪的物理学进程将会发生什么变化呢？我们无法想像，但是有一点是肯定的，那就是，人们会很快地意识到天文学对基础物理学具有非常重要的意义。

中子星的发现是相当偶然的。没有人能够解释它们为什么可以发射出这么强烈而又独特的无线电波。如果有人在60年代早期就向理论物理学家提出怎样去探测中子星，那么，大多数理论物理学家都会告诉他去寻找X-射线源。毕竟，如果中子星的辐射强度比普通恒星大得多而它们的表面积却又比普通恒星小得多，那么它们一定非常热，以至于能够发射X-射线。因此，X-射线天文学家是最有可能发现中子星的人。(www.xing528.com)

然而，从宇宙中来的X-射线能够被地球的大气所吸收，所以，只能从太空观测到它们。X-射线天文学跟射电天文学一样，也从战争中得到了好处，它应用了大量的军用技术。在这种情况下，美国科学家就很自然地取得了领导地位，特别是美国海军实验室的赫伯特·弗里德曼（Herbert Friedman）及其同事，他们后来的研究一直处于世界领先地位。他们的首批X-射线探测器是捆绑在火箭上的，每个探测器在它们坠落到地面之前，只能产生几分钟的有用数据。X-射线天文学在70年代取得了长足发展。70年代，美国宇航局（NASA）发射了第一颗X-射线卫星，它一次能够收集好几年的数据。这些年的发展表明，X-射线天文学是人类了解宇宙的一扇至关重要的窗口。

X-射线是由灼热的气体和发生剧烈反应的天体发射出来的，所以，可以根据X-射线来寻找宇宙中的高能天体。中子星就是这样的天体，它们的质量至少有太阳那么大，但是直径却只有10公里。它们的引力非常强，相对论的修正值可达30%。

现在我们怀疑，某些恒星在塌缩以后，它们的密度会超过中子星而形成黑洞。在黑洞周围，时空的扭曲程度比在中子星周围的还要大。如果一个宇航员闯入了黑洞的视界内部，那么他不会向外界传递出任何信息，连光信号也不例外。在那个区域，空间本身好像也在不断地向内部运动，其速度比光还要快。外部观测者决不会看到那位宇航员的最终命运。因为随着他不停地朝着内部运动，时钟却走得越来越慢，所以，那位宇航员好像被钉在视界面上了一样，时间仿佛停止了。

60年代早期，俄罗斯理论物理学家雅科夫·泽尔多维奇（Yakov Zeldovich）和艾格尔·洛维可夫（Igor Novikov）研究了塌缩天体附近的时间扭曲问题。他们称这种塌缩天体为“冻结星”。“黑洞”这个词语是约翰·惠勒（John Wheeler）在他描述“从外界闯入的光和粒子……只能朝着黑洞运动，结果增加了黑洞的质量，增强了黑洞的引力作用”时提出的。

黑洞是恒星演化的一种最终结果，它们的半径大约为10到50公里。但是现在有确凿的证据表明，在大多数星系的中央，存在着质量比太阳大几百万倍甚至几十亿倍的黑洞。它们之中有一些是以类星体（类星体的能量非常集中，它可以照亮宿主星系中的所有恒星）的面目出现的，还有一些则是强烈的宇宙射线发射源。其他黑洞，包括银河系中央的那颗，都是静止的，但是它们能够对周围的恒星轨道产生影响。

从外部来看，各个黑洞都差不多。没有任何办法能够区分某个特殊黑洞的形成过程，也没有任何办法可以看出它吞噬过什么物体。1963年，新西兰人罗易·科尔（Roy Kerr）发现了爱因斯坦方程的一个塌缩旋转解。“科尔解”具有极其重要的理论意义，它描述了任何一个黑洞周围的时空。一个塌缩的物体会迅速地处于一种标准的稳定状态，描述这种状态只需要两个参数：质量和角动量。60年代，数学物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）为相对论的复兴作出了重要的贡献。他评论说：“具有讽刺意味的是，黑洞，这一天体物理学中最奇怪、最不可思议的物体，却是不可缺少的。少了它，我们的理论就不是完备的了。”

黑洞的发现为我们检验爱因斯坦理论中的那个最值得注意的结果开辟了一条道路。炙热物体发出的辐射会在黑洞的附近一边旋转一边掉进这个“引力深渊”，结果将产生明显的多普勒效应——因为受到强引力的作用，光线会产生额外的红移。对这种辐射（尤其是X-射线）的光谱学研究将会查明辐射在黑洞附近的运动状况，并且因此可以判断黑洞周围的空间形状是否跟理论的预言相一致。