Question

爱因斯坦是如何预测到黑洞的存在的？

Answer 1

很多人都会认为是爱因斯坦预测了黑洞的存在，其实并不是。虽然爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在，但他本人并不认为黑洞是存在的。1915年，德国的科学家史瓦西通过计算得到爱因斯坦场方程的一个真空解，通过这个解可以知道，当一个星体小于一定半径的时候，在这个半径内是会出现奇异现象，在这个半径内连光都无法逃逸，其实这种天体也不是爱因斯坦命名的，而是美国科学家惠勒把它命名为黑洞。

在1915年的时候，史瓦西通过对广义相对论的一个关于球状物质分布的解，根据此解，他发现在这个球状半径内时空弯曲的非常厉害，以至于任何物质都无法从这个球状半径中逃出去，就连光都无法从这个球状半径中逃出，所以说黑洞是“黑”的，它是无法观测，只能通过间接的方式发现其存在。

黑洞是大质量的恒星在演化到后期发生超新星爆炸形成的，一般30倍太阳质量的恒星就会演化成黑洞，而根据史瓦西半径公式得出太阳的史瓦西半径为3000米，地球的史瓦西半径是0.9厘米，通俗点说就是如果把地球压缩到0.9厘米，那么它将会成为一个黑洞。

一直以来，我们看到黑洞的图片都是科学家根据相关理论用电脑模拟出来的，直到2019年的时候，第一张黑洞照片的公布，又一次验证了爱因斯坦广义相对论的正确性。

黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的一种现象，爱因斯坦用广义相对论为黑洞进入科学领域铺平了道路，而这并不是他真正的意图

1915年，爱因斯坦发表了一系列广义相对论的演讲，声称空间和时间是一个连续体，可被任何有质量的东西扭曲，扭曲的结果就是引力，即引力是 空间和时间扭曲的结果，并 迫使一切物体，从光到行星，甚至从树上掉下来的苹果，沿着弯曲的路径穿过空间。

当爱因斯坦发展广义相对论的时候，花了大约十年的时间用一种叫张量微积分的数学形式近似地解出自己方程的解，即使是最优秀的科学头脑，也会对数学感到困惑。然而，这一挑战并没有阻止爱因斯坦同时代的一位天文学家——一位名叫卡尔·史瓦西的理论物理学家，史瓦西本质上是一个现实主义者，但他非常擅长处理理论概念，当爱因斯坦1915年发表关于广义相对论的文章时，史瓦西是第一个认识到它们重要性的人之一。

史瓦西是一位德国爱国者，所以当第一次世界大战爆发时，他把手上的天文学研究放在了一边，而选择了参军。当他读到爱因斯坦的论文时正在比利时、法国和俄罗斯前线参加战斗。尽管如此， 史瓦西还是被广义相对论的本质所吸引，开始为它的方程寻找精确答案 。在患了重病被送回家休养两个月后，史瓦西终于能够集中精力完成他的计算，在1916年去世前不久，史瓦西完成了他的工作，同年晚些时候出版了：《论爱因斯坦理论中的点质量引力场》成为现代相对论研究的支柱之一，史瓦西在其中提出了他对爱因斯坦未解方程的解。

当爱因斯坦写下他的广义相对论时发现了描述引力的新方法，即引力是空间和时间扭曲的结果，物质和能量存在于时空背景中，有三个空间维度和一个时间维度，物体的质量会扭曲时空结构——质量越大的物体对时空影响越大。就像放在蹦床上的保龄球会拉伸织物，使其产生凹陷，行星和恒星也会扭曲时空——这种现象被称为“短程线效应”。因此，围绕太阳运行的行星不会受到太阳的引力；只是沿着太阳质量引起的弯曲时空变形运转。行星从未落入太阳的原因是由于行星的运行速度，简洁地说就是“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何移动。”

史瓦西意识到物体表面的逃逸速度取决于它的质量和半径 。例如，地球的逃逸速度约为每秒11.2公里——这是火箭在离开地球之前必须达到的速度。但是，如果能使给定质量的半径足够小，逃逸速度就会增加，直到达到光速，即每秒30万公里，在那时，物质和辐射都无法从物体表面逃逸。此外，原子力或亚原子力无法使物体承受自身的重量。因此，物体坍缩成一个无限小的点——原来的物体从视野中消失，只留下它的重力来标记它的存在。结果，会在时空结构中创造了一个无底洞，称为奇点。史瓦西还解释说，一个奇点被一个球形引力边界所包围，这个边界会永远困住任何进去的东西，这个边界叫做视界（ event horizon）。史瓦西还提出了一个公式，可以计算出视界的大小，这就是史瓦西半径，是时空无底洞的边缘，太阳的史瓦西半径为3公里，即它的视界就在离它表面三公里的地方，地球的史瓦西半径是9毫米。

史瓦西的论文中包含了激进的预测，时空无底洞的想法困扰了许多科学家包括爱因斯坦， 爱因斯坦本人并不相信黑洞的存在，尽管他自己的理论预言了黑洞的存在，但他强烈反对这一观点。1939年，爱因斯坦在《数学年鉴》上发表了一篇文章，试图证明这样的时空无底洞是不可能存在的。 因为它公然违背了人类经验——世界是有限的，一切都可以称重和测量。

1967年 美国物理学家约翰·惠勒将史瓦西提出的”引力完全坍缩的物体“的原始说法进行改进，将之命名为黑洞。 科学家们大约五十年来都没有意识到它在恒星演化中的重要性，直到最近才意识到它对宇宙发展的巨大影响。现代的科学共识是——黑洞确实存在，而且是宇宙最重要的特征之一，天文学家已经能够以不同方式间接地探测到它们，因此黑洞的存在是毫无疑问的。

首先要明确一下， 黑洞不是爱因斯坦预测到的 ，1905年爱因斯坦发表狭义相对论后，从1907年开始了长达八年的对引力的相对性理论的 探索 。在历经多次弯路和错误之后，他于1915年11月在普鲁士科学院上作了发言，解释 引力如何作用时， 给出了著名的爱因斯坦引力场方程：

整个方程的意义是： 空间物质的能量-动量分布决定空间的弯曲状况。

1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。

爱因斯坦对物体之间存在相互吸引的引力这种现象解释为因为物体的质量使得物体所在环境的空间、时间扭曲，而这种扭曲的结果并迫使一切物体，沿着弯曲的路径穿过空间，这种现象在最后外我们的观察中就感觉物质之间存在相关吸引的引力。比如：我们日常生活中看到的苹果从树上掉到了地上 现象 ，爱因斯坦给出解释：因为地球的存在，使得地球周围的空间、时间发生了扭曲， 苹果沿着扭曲空间行进而已；而牛顿给出的解：世界万物都存在相互吸引，苹果受到了地球的引力才从树上掉了下来。后来在天文观察中，发现爱因斯坦的理论计算结果更接近天体运动轨迹，如关于水星近日点进动值的计算结果。 卡尔·史瓦西利用爱因斯坦的引力场方程，计算出了一个特殊的存在，即根据物体的质量可以使其周围的环境的空间、时间扭曲，而且扭曲程度跟其能动张量 Tuv成正比的。通过计算卡尔·史瓦西得出如下结论：当一个天体的能动张量Tuv足够大，使其周围的环境的空间、时间严重扭曲，以至于当光线（宇宙中速度最快的物体）靠近这个天体一定距离是都无法逃逸，后来科学家把这种天体命名为黑洞。

换句话说，爱因斯坦只是给出解释引力现象的一种方法，而卡尔·史瓦西利用这种方法推算出来一种特殊的天体，然后这种天体被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。

北京时间10日晚9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布了黑洞“真容”，这是人类首次拍到黑洞的照片， 证明在极端条件下 爱因斯坦广义相对论 仍然成立 。该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环，如上图。