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1939年9月1日,就在德國襲擊波蘭並開始第二次世界大戰的同一天,一篇傑出的論文出現在《物理評論》期刊的頁面上。 在其中,J. 羅伯特·奧本海默和他的學生哈特蘭·斯奈德闡述了我們今天所稱的黑洞的基本特徵。 在 Subrahmanyan Chandrasekhar、Fritz Zwicky 和 Lev Landau 工作的基礎上,奧本海默和斯奈德描述了,對於外部觀察者來說,一個質量超過臨界質量的物體表面上的下落觀察者,看起來會處於永恆的自由落體狀態。 這篇論文是兩年工作的結晶,並且是同一期刊上另外兩篇文章的後續。
然後奧本海默完全忘記了這件事,並且在他餘生中再也沒有說過任何關於黑洞的事情。
他在 1938 年之前沒有研究過黑洞,之後也再也沒有研究過。 具有諷刺意味的是,正是他對物理學的這項短暫貢獻,現在被廣泛認為是奧本海默最偉大的成就,如果他活得足夠長,能夠看到隨著射電天文學的出現,黑洞的實驗證據出現,這可能足以讓他獲得諾貝爾獎。
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發生了什麼? 奧本海默缺乏興趣不僅僅是因為幾年後他成為了曼哈頓計劃的主任,並忙於製造原子彈。 這也不是因為他鄙視思想自由且古怪的茲威基,茲威基透過發現黑洞的母體——中子星,為該領域奠定了基礎。 甚至也不是因為他在戰後獲得了名人地位,成為美國最有權勢的科學家,並在華盛頓花費了大量時間進行諮詢,直到 1954 年他精心策劃的垮臺。 所有這些因素都有影響,但真正的原因完全是其他——奧本海默只是對黑洞不感興趣。 即使在他垮臺後,當他有大量時間投入物理學時,他也從未談論或撰寫過關於黑洞的文章。 黑洞的創造者基本上認為它們無關緊要。
奧本海默拒絕現代物理學最引人入勝的含義之一,以及宇宙中最神秘的物體之一——並且是他創造的物體——弗里曼·戴森Freeman Dyson很好地記錄了這一點,戴森曾試圖就此話題與他展開對話。 每次戴森提起它,奧本海默都會轉移話題,就好像他已經否認了自己的科學孩子一樣。
正如戴森和其他認識他的人所證實的那樣,原因是奧本海默在生命的最後幾十年裡患上了一種我稱之為“原教旨主義炎”的疾病。 原教旨主義炎是一種嚴重的疾病,它使患者相信唯一值得思考的事情是透過物理學的基本定律體現出來的現實的深刻本質。
正如戴森所說
“奧本海默晚年認為,唯一值得嚴肅理論物理學家關注的問題是發現物理學的基本方程。 愛因斯坦當然也有同樣的感覺。 發現正確的方程才是最重要的。 一旦你發現了正確的方程,那麼研究方程的特定解將是二流物理學家或研究生的例行練習。”
因此,對於奧本海默來說,黑洞是廣義相對論的特定解,是平凡的; 一般理論本身才是真正重要的。 此外,它們還是異常現象,醜陋的例外,最好被忽略而不是研究。 正如戴森所提到的,不幸的是,奧本海默並不是唯一受這種狀況影響的人。 愛因斯坦,他晚年徒勞地尋求大統一理論,也是其中之一。 和奧本海默一樣,他對黑洞不感興趣,但他更進一步,不相信量子力學。 愛因斯坦的原教旨主義炎確實非常病態。
歷史證明,奧本海默和愛因斯坦在黑洞和基本定律問題上都犯了嚴重的錯誤。 最具有諷刺意味的不是黑洞非常有趣,而是近幾十年來,對黑洞的研究揭示了愛因斯坦和奧本海預設為唯一值得研究的那些基本定律。 被否認的孩子們又回來困擾著他們父母的幽靈。
黑洞在戰後興起,很大程度上歸功於美國約翰·惠勒和英國丹尼斯·西阿瑪的努力。 新興的射電天文學向我們表明,黑洞遠非異常現象,而是遍佈宇宙景觀,包括銀河系中心。 在奧本海默去世十年後,以色列理論家雅各布·貝肯斯坦證明了熱力學與黑洞物理學之間存在著非常深刻的關係。 斯蒂芬·霍金和羅傑·彭羅斯發現黑洞包含奇點; 黑洞遠非醜陋的異常現象,因此以其所有榮耀證明了愛因斯坦的廣義相對論。 他們還意識到,真正理解奇點將涉及量子力學和廣義相對論的結合,這種正規化與物理學中的任何其他正規化一樣基礎。
在該領域可能最令人興奮的進展中,倫納德·薩斯坎德、霍金和其他人發現了資訊理論和黑洞之間的密切聯絡,從而產生了引人入勝的黑洞防火牆悖論,該悖論在熱力學、量子力學和廣義相對論之間建立了非常深刻的聯絡。 黑洞甚至為計算機科學和計算複雜性提供了見解。 今天,對黑洞的研究與 20 世紀 50 年代對基本粒子的研究一樣基礎。
愛因斯坦和奧本海默幾乎無法想象,如此大量的發現會來自他們所鄙視的實體。 但他們對黑洞的警惕不僅僅是錯失機會的例子,也不僅僅是偉大的頭腦有時會患上隧道視野的事實。 我認為從奧本海默和黑洞的故事中得到的最大教訓是,被認為是“應用”科學的東西實際上可能蘊藏著深刻的基本奧秘。 奧本海默和愛因斯坦都認為對黑洞的研究過於應用,是對異常現象和特定解決方案的考察,不值得思考宇宙深層思想的思想家關注。 但令人欣喜的諷刺是,黑洞實際上包含著宇宙的一些最深刻的奧秘,在不同的學科之間建立了意想不到的聯絡,並挑戰了該領域最優秀的頭腦。 如果奧本海默和愛因斯坦能夠更加思想開放就好了。
在被認為是應用科學的領域中發現基礎科學,這在物理學史上並非鮮為人知。 例如,馬克斯·普朗克研究的是黑體輻射,這是一個相對平凡和應用的主題,但正是在黑體輻射中發現了量子理論的種子。 同樣,光譜學或對原子發出的光的研究導致了 20 世紀 20 年代量子力學的現代框架。 物理學史上充斥著大量類似的例子; 在最近的一個案例中,對凝聚態物理學的研究使物理學家菲利普·安德森為對稱性破缺和希格斯玻色子的存在假設做出了重大貢獻。 也許應用科學家做出基礎貢獻的最極端的例子是,法國工程師薩迪·卡諾對大炮和熱機的研究導致了科學的一個基本定律——熱力學第二定律。
今天,許多物理學家再次致力於尋找終極定律,其中至少有一些人認為這些終極定律將在弦理論的框架內找到。 這些物理學家可能認為物理學的其他部分,尤其是應用部分,不值得他們偉大的理論才能。 對於這些物理學家來說,奧本海默和黑洞的故事應該作為一個警示故事。 大自然太聰明瞭,無法被限制在狹窄的框架內,有時只有在科學最應用的領域中探索,才能看到基本原理的光芒。
正如愛因斯坦如果更瞭解情況可能會說的那樣,純粹科學和應用科學之間的區別通常只是一種“頑固的持久幻覺”。 這是一種我們必須努力消除的幻覺。