黑洞真是黑色的吗?

亲爱的阿尔伯特，你是*出色的。几乎人人都知道的那个物理学方程就是E = mc2。《时代周刊》将你评选为“世纪人物”。关于你的笑话再也没人讲了，因为每个人都知道那并不好笑。尽管我们已经拥有了许多核武器，但我们还没把自己炸飞。事实上，在“二战”结束前投掷的那两颗原子弹是核武器唯一一次被用于杀戮。如今，我们对广义相对论和黑洞更感兴趣，因为巨大的LIGO探测器成功探测到发生在 10 多亿年前的一次黑洞碰撞发出的引力波信号。我们写了一本有关黑洞的书，因为我们知道你对施瓦西解非常感兴趣，但或许对它的物理意义不太确定。所以我们想告诉你一些在你离世后的 60 多年中取得的相关进展。在施瓦西解里存在一个事件视界。一旦你穿过它，除非你的速度超过光速，否则你就再也回不来了。如果你还记得施瓦西解的形式，当半径等于质量乘以牛顿引力常数时，它就会表现出一些奇异性，尤其是度规的时间项（我们现在称之为时移函数）消失了，而那正是事件视界的所在。当半径趋于零时，施瓦西解也会表现出一些奇异性，我们*好的理解就是它们标志着一个时空奇点，人类已知的物理定律在那里会彻底失效。如果你进入一个施瓦西黑洞，你肯定会碰到奇点，但我们不知道接下来会发生什么，甚至用“接下来”这个词是不是合适，也值得商榷。我们多么希望你能看到在你过世后的 20 多年里广义相对论研究工作的进展。约翰·惠勒是其中的核心人物。（我们跟他熟识！他和我们同在普林斯顿大学工作，直到2008 年他离开了这个世界。）他让“黑洞”这个描述施瓦西解及其度规的词变得流行。一位名叫罗伊·克尔的新西兰人找到了施瓦西度规的一般化形式，用于描述旋转黑洞。这是一种相当复杂的度规！更重要的是，它描述了坍缩恒星的终态，它们总有一些非零的角动量。我们现在十分确信宇宙中有很多黑洞。钱德拉塞卡、托尔曼、奥本海默和沃尔科夫等人早在 20 世纪 30 年代就说过，如果你把太多的质量放到一起，就没有什么能够支撑住它们。具体的数字难以估算，但如果一颗恒星在核燃料耗尽后还剩下 3 倍的太阳质量，它将会坍缩成一个黑洞。更令人惊奇的是，在星系中心还有更大的黑洞。比如，银河系中心就有一个约为 400 万倍太阳质量的黑洞。我们没有开玩笑！现代的观点一致认为，许多星系的中心都有很大的黑洞，它们的质量甚至达到太阳的几十亿倍。我们现在尚不清楚这些黑洞是怎么形成的，但就银河系而言，通过观测一些恒星的轨迹和黑洞的引力效应，我们相信银心确实存在黑洞。