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第7章 太空中的洞黑洞（第2页）

1914年8月德国首先向俄国宣战时，史瓦西原本没有报名参军的必要。不仅是因为他已经40岁了，更重要的原因是，作为柏林天文台的台长，他正做着德国科学界最有声望的工作之一。但周围的反犹太主义势力正在抬头，而史瓦西就是个犹太人，这是他不能公开讲的事情。事实上，史瓦西在参军前写下的遗嘱中一再叮嘱妻子，要等到孩子十四五岁时，再告诉他们自己是犹太人。[123]尽管史瓦西在生活中并没有参加犹太教活动，但他非常强烈地感到有必要坚定地站出来参军：如果犹太人想要在反犹太主义的浪潮中生存，就必须证明自己毫无疑问是爱国的德国人。正因如此，1914年夏天，当不祥的事件在欧洲蔓延时，史瓦西下定决心，如果真的发生了战争，将不惜牺牲自己的生命来保卫祖国。在德国皇帝凯撒·威廉二世的军队服役的18个月里，史瓦西在比利时负责管理过一个气象站，在法国为炮兵连计算过炮弹的弹道，最后，他被派到了东部前线。就在那里，史瓦西患上了口腔溃疡。起初，他以为这是过度疲劳造成的。1915年的冬天很冷，并且与妻子和家人的分离让他备感压力。但口腔溃疡恶化了，不到一个月，他全身都长出了充血的水疱，形成了大面积溃烂，然后结痂。水疱反复发作，毫无征兆地出现又消退。

史瓦西刚到野战医院时，医生们也是一头雾水，几天后才诊断出是寻常型天疱疮。没有人知道是什么引发了这种罕见的身体免疫系统攻击自己皮肤的疾病，这种疾病在犹太人中较为常见，尤其是来自东欧的德系犹太人。[124]他被告知，目前这种病还没有有效的治疗方法。

作为一名科学家，史瓦西很想知道他的真实病情。也许是为了不让他担心，医生们都闪烁其词，但很明显，他的病情可能危及其生命。毕竟皮肤是人体最大的器官，体温也是通过皮肤出汗来调节的，如果皮肤受损，体温将无法避免地过热。不仅如此，皮肤也是防止感染的屏障。如果这道屏障被突破，人体就会被各种外来微生物入侵。

史瓦西刚刚完成的那篇论文是他到东部前线炮兵连之后写的第二篇。史瓦西开始仔细检查计算过程，其中有错误吗？结果成立吗？没有人可以交流讨论。在过去的几周里，史瓦西体会到了牛顿那种“永远孤独地航行在陌生的思想海洋”的感受。[125]论文中使用的引力理论才刚刚问世，他知道自己即便不是最早见到并掌握该理论的人，也一定是最早之一，当然，除了天才的理论创建者本人。

阿尔伯特·爱因斯坦和史瓦西只在少数几个场合有过交集，两人的交流也仅限于寒暄。原因是柏林天文台在城外的波茨坦，而爱因斯坦的工作场所（恺撒-威廉物理研究所，KaiserWilhelmInstitute）则在达勒姆郊区，离市中心更近。尽管和爱因斯坦接触得很少，但史瓦西满怀热情地接受了爱因斯坦的广义相对论，那可是爱因斯坦付出了10年的努力，才找到的与狭义相对论协调的引力理论。[126]

狭义相对论与牛顿的引力论之间是存在矛盾的。比如，爱因斯坦主张，没有什么速度能比光速（宇宙的速度极限）更快；而牛顿假定，不管在哪里，物体（例如太阳）的引力都可以被瞬间感知，这等于说引力是以无限的速度传播的。再比如爱因斯坦宣称所有形式的能量都是引力源，原因是所有形式的能量都具有有效质量（effectivemass）；而牛顿却认为，只有质量才是引力源。[1]

光能具有有效质量是可观测的事实，爱因斯坦在找到与相对论相容的引力理论之前，就已经意识到了这一点。射向地球的星光在经过太阳附近时，传播的路径应该被太阳的引力所弯曲。1914年第一次世界大战爆发时，史瓦西的同事欧文·弗伦德里希（ErwinFreundlich）就曾和两名同伴前往克里米亚（Crimea），计划在8月21日的日全食期间观测星光的弯曲。[127]不幸的是，他们被俄国人以敌方侨民的身份投入了监狱。直到9月下旬，3个人才跟随第一批交换的战俘，一瘸一拐地返回了柏林。

爱因斯坦为寻找深奥的引力理论而进行的努力，最终以4篇论文的形式呈现了出来，也就是后来的广义相对论。1915年11月，论文提交给了普鲁士科学院。文中描绘了一个崭新的、难以想象的世界。

根据牛顿的说法，太阳和地球之间存在着一种“力”，就像一条无形的绳索将两个天体维系在一起，并将地球永久地捆绑在环绕太阳的轨道上。爱因斯坦则提出了另一种观点：实际上，像太阳这样的天体，巨大的质量使其周围的时空扭曲成山谷。[128]地球则像轮盘赌轮上滚动的珠子一样在山谷的斜坡上穿行。当时有人总结道：本质上，广义相对论就是物质告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质如何运动。不过经过了半个世纪之后，已经没有人再使用这样的说辞了。[129]

根据爱因斯坦的说法，引力就是弯曲的时空。然而，时空是四维的，作为三维生物的我们完全没有意识到时空的起伏。我们为了解释诸如地球围绕太阳之类的运动，才发明了那个“力”，并称之为引力。

爱因斯坦的论文在柏林发表后，几天之内就传到了东部前线的史瓦西手里。他立刻迷上了广义相对论。[130]这个优雅而又朝气蓬勃的理论，这个理论的美丽和它所体现出的胆识令史瓦西神往。但更重要的是，这能让史瓦西暂时忘却死亡、毁灭和枪炮的轰鸣。史瓦西在计算火炮弹道的繁忙中，还能抽出时间洞悉复杂的数学内涵，并深入思考广义相对论的因果关系，这真令人难以置信。

爱因斯坦曾用他的理论来解释离太阳最近的行星令人困惑的运动。像所有的其他行星一样，水星不仅受到太阳的引力作用，也受到太阳系其他行星的引力影响，导致其在椭圆轨道运行时自转轴绕某一中心的旋转，这种运动方式被称为进动。但是，即使考虑了其他行星的影响，仍有无法解释的问题，那就是水星近日点的异常进动。

太阳是太阳系中质量最大的天体，水星距离太阳最近，爱因斯坦意识到，这意味着在所有行星中，水星所在的地方，时空弯曲最为严重，这势必会对水星的运动产生影响。爱因斯坦用广义相对论预测水星的轨道，发现与天文学家观测到的实际数据相等。这是广义相对论的胜利。他的理论精确地解释了水星的异常进动。

然而，爱因斯坦的计算既不连贯，也不优雅。问题出在他的引力理论机制太复杂，使用了许多计算弯曲时空的数学方法，而这些方法是由一批数学家在19世纪发展起来的，其中最著名的有卡尔·弗里德里希·高斯（CarlFriedrichGauss）和伯恩哈德·黎曼（BernhardRiemann）。在牛顿的理论中，1个方程就足以描述引力，而爱因斯坦的理论则需要10个方程。[131]因此，要找到给定物质的时空形状，也就是找到爱因斯坦引力场方程的解，是很困难的。就连爱因斯坦自己也觉得这是不可能的。所以，在计算水星的反常运动时，他采用了近似的方法，估算了太阳周围的时空弯曲。

不过，史瓦西很熟悉计算弯曲空间的数学方法——黎曼几何。因此，他很想知道自己是否能比爱因斯坦做得更好。但在这炮火连天的轰鸣声中，他能找到像太阳这样的局域质量周围空间的确切曲率公式吗？

史瓦西从一些基本的假设开始做起。首先，假定太阳或者说任何其他恒星是完美的球形；其次，假定太阳周围的时空曲率不随时间而变化；最后，假定时空的曲率与方向无关，只取决于其与太阳的径向距离。值得注意的是，史瓦西的这些近似假设极大地简化了问题，使方程从原来的10个减少到1个。接下来，他又施展了一点数学魔法，奇迹般地找出了这个独立方程的唯一解。

史瓦西解决了不可能解的方程，他超越了爱因斯坦。并且，史瓦西发现的是一种精确的描述，而不是对围绕太阳周围的时空曲率的近似表达。这是迄今为止发现的第一个爱因斯坦引力理论的精确解。在接下来的几年里，物理学家们认识到，要想找到爱因斯坦方程的解太难了，于是物理学家们就用发现者的名字来命名这些解，以示敬意。因此史瓦西的名字以史瓦西解，或者更准确地说是施瓦氏度规（Schwarzschildmetric）而流芳千古了。

利用这个精确解，史瓦西很快证实了爱因斯坦对水星异常进动的解释。“从这样一个抽象的想法出发，自然而然地计算出水星轨道的异常表现是一件相当奇妙的事情。”他写道。[132]

后来史瓦西把计算结果写成了论文，于1915年12月22日寄给爱因斯坦，并随附了一封信。在信的结尾，史瓦西写道：“如你所见，尽管这里硝烟弥漫，但战争对我还是很友好的，允许我远离这一切，在你思想的土地上行走。”[133]到那时为止，史瓦西还没有意识到自己嘴里长出的水疱的严重性，很快，他就会因病离开部队，被送往野战医院。

收到东部前线的来信让爱因斯坦感到有点意外。尽管爱因斯坦意识到，这位年过40的柏林天文台台长在战争爆发时能自愿加入凯撒·威廉二世的军队是一件非同寻常的事，但信中能写些什么呢？

读信时，爱因斯坦惊讶地发现了用自己的理论进行的计算。他一边用手指沿着代数式往下移动，一边频频点头表示赞同。爱因斯坦的论文交给普鲁士科学院的事才过了1个月，然而史瓦西不仅掌握了他的理论，还将之推向了新的应用领域。这是广义相对论的第一个精确解，就连爱因斯坦自己都认为求解有点不太可能。

爱因斯坦立即回复史瓦西：“我对你的论文很感兴趣。我没有料到，有人能以如此简洁的方法得出这个问题的解。我非常喜欢你对这个问题的数学处理方式。”[134]

爱因斯坦在回信中承诺，在下周四将这封信提交普鲁士科学院，并附上几句解释的话。爱因斯坦果然没有食言，他于1916年1月13日提交了史瓦西论文的概要。但是，躺在医院病**的史瓦西并未停止对广义相对论的研究。对于理想球形天体外部的时空曲率，史瓦西已经找到了精确描述，那么此类天体内部呢？那正是第二篇论文的主题，现在史瓦西正在反复检查计算过程和结果，并打算寄给爱因斯坦。

这个主题吸引史瓦西好几天了，最重要的是，这使他忘却了痛苦。他不顾一切，迷失在梦里。“史瓦西教授!”他记得有人试图摇醒他，“我们得给你换衣服，换**用品了，你得出去走走……”

通过仔细研究那个奇迹般的解，史瓦西发现了不可思议的东西。如果天体被压缩到某个临界半径内，那么严重扭曲的时空就不再仅仅是一个山谷，[135]它会变成一个无底洞，任何东西，即使是光，都休想从中逃逸。这颗恒星将永远与宇宙隔绝，它看起来就像太空中的一个洞。史瓦西没有为这样一个严重扭曲的时空区域命名，但总有一天，“黑洞”这个词将会家喻户晓。

临界半径小得离谱，它的命名也像史瓦西的时空解那样，将以其发现者的名字命名。太阳的施瓦氏半径（Schwarzschildradius）只有1。47千米，地球的则只有5毫米。如果太阳和地球被挤压到那么小，就会瞬间不见，永远消失在人们的视野之中。

但是太阳的直径超过100万千米，如果临界半径只有1。47千米，就意味着要把它压缩到令人难以置信的密度。史瓦西的第一反应是：“（这是）非常奇怪的，也许只是数学的奇异性。”但史瓦西并没有就此罢手，[136]他写道：“历史告诉我们，数学解往往就是自然界中的现实，就好像数学和物理之间存在着某种预先建立的和谐。”史瓦西在去柏林工作之前，就曾在哥廷根大学（UyofGottingen）提出过这个想法，他承认自己是其“信徒”。也许，他的方程所描述的怪物确实存在。

史瓦西把这篇新论文连同信一起折叠起来，塞进信封封好，请一个经过的护理员帮他寄出去。

1916年2月13日，爱因斯坦向普鲁士科学院提交了史瓦西的黑洞解。3月的时候，病情恶化的史瓦西被转院到柏林，不幸的是，他在5月11日与世长辞，享年42岁。但他留下了一样东西，那就是他的爱因斯坦方程的黑洞解。

1971年冬，苏塞克斯郡赫斯特蒙塞

保罗·默丁结束与路易丝·韦伯斯特的讨论后，无法抑制肾上腺素的升高，在八角屋里不停地踱来踱去，从逻辑上仔细审核着那个惊人的结论。坐在办公桌前的韦伯斯特则一如既往地含蓄、沉稳，不为所动。

天鹅座X-1中的X射线来自从这颗蓝色超巨星上撕下的物质。就在这些物质落向黑洞的过程中，强烈的旋转引起了内部摩擦，将它们加热到极高的温度。如果这两位天文学家的结论没错的话，这将是一项真正重大的天文学发现。尽管如此，仍然很难相信这样疯狂的理论预测会成真。“令人惊奇的是，黑洞原来是真实的物体!”默丁说，“难以置信，真有黑洞!”

默丁希望太空中第一个黑洞的发现能让他在天文学界崭露头角，更重要的是，这会带给他一个终身职位。毕竟，养活年幼的孩子不是一件轻松的事。