原子弹之父奥本海默也是黑洞之父吗？

黑洞旁的“原子弹之父”罗伯特·奥本海默。. (Image credit: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/ Robert Lea)

在变成 “原子弹之父”之前，罗伯特·奥本海默对黑洞的科学做出了一个重大贡献。

无论好坏，奥本海默将永远被与原子弹的令人难以置信的破坏力和蘑菇云的形象关联，蘑菇云是一个近乎圣经的毁灭的象征。随着今天（7月21日）克里斯托弗·诺兰备受期待的关于这位物理学家的传记片《奥本海默》的上映，这种关联将只会在公众眼中增强。

但在1942年前往新墨西哥州洛斯阿拉莫斯为原子弹的发展做出贡献之前，奥本海默是一位集中在量子物理学上的理论物理学家。
    1939年，他和加州大学伯克利分校的同事哈特兰·斯奈德（Hartland S. Snyder）发表了一篇题为“论持续的引力收缩”的开创性论文，该论文用了阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论广义相对论的方程来显示黑洞如何被诞生。

英国萨塞克斯大学物理学教授泽维尔卡尔梅特告诉太空网站， “奥本海默提出了非常第一个坍塌模型来描述一颗恒星可能如何坍塌成一个黑洞，这个模型解释黑洞的形成为一个动态的天体物理学的过程，足够重的恒星演化的最后阶段。这种模式至今仍被使用”。

卡尔梅特说，他最近在一篇当考虑量子引力时描述黑洞的坍塌的论文中用了这个模型。

他说，“这个模型是非常重要的，因为它分析上是可解的------用笔和纸能解方程不需要数值工作。因此，所有的物理学容易的追踪的，然而，尽管它的简单性甚至可能粗糙性，但它足够复杂来描述一颗坍塌恒星的许多特征”。

具有讽刺意味的是，因为奥本海默和斯奈德工作在这篇严重依赖1915年广义相对论的论文上，当时该理论之父爱因斯坦本人正在完成目标是证明黑洞不可能存在的研究。

    当然，历史会显示奥本海默关于黑洞是正确的。

奥本海默推动这个极限

 在奥本海默的恒星坍塌和黑洞诞生理论之前八年，另一位理论物理学家正在思考当恒星耗尽核聚变燃料时发生什么。

当这种燃料被耗尽时，一颗恒星不能再支持它自己抵抗引力坍塌。在恒星的外层被脱落的同时，它的核迅速的收缩，留下一个奇特的恒星残骸。残骸的性质取决于恒星核的质量。

 印度裔美国物理学家苏布兰玛尼安钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）意识到，对有一个质量小于太阳1.4倍的恒星核，由于防止粒子一起太近“挤压” 的量子效应引力坍塌将停止。

这将被称为钱德拉塞卡极限，它下面的任何恒星------除非它有一个喂养它物质的恒星伴星------被注定要结束它的存在为一个叫一颗白矮星的阴燃的恒星残骸。这将是我们的恒星太阳在大约50亿年后耗尽它的核的氢之后的命运。

对质量至少是太阳1.4倍的恒星核，在引力坍塌期间产生有足够的压力因此热进一步的一番核聚变能被触发，被氢本身的聚变创造的氦锻造更重的元素如氮、氧和碳。

最大质量的恒星经历一系列这样的坍塌和轮番的核聚变。但奥本海默和他的学生想知道这个引力坍塌路径导向的地方，从而宇宙的最大恒星的最终状态是什么。

这个答案早在1916年就已经被一位德国物理学家提交。奥本海默只必须找出如何到达那里。

黑洞的两次诞生

1915年，天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）在第一次世界大战期间与德国军队一起在前线服役的同时，手头得到了爱因斯坦广义相对论的一个副本。令人震惊并震惊爱因斯坦的是史瓦西在这种令人难以置信的恶劣条件下设法来计算广义相对论场方程的一个精确数学解。

在这些解中潜伏着两个令人不安的东西------被称为“奇点”的地方，在那里我们知道的物理学完全崩溃。这些奇点表明了有引力如此之强以至于它们可以“吞噬”光的物体的存在。
    其中一个奇点被认为是一个坐标奇点，这可以用一点聪明的数学操作被删除。这种坐标奇点后来被称为史瓦西半径------一个在其上物体的引力变得如此大以至于来逃离它的抓住所需的速度是大于光速的点。

 这种单向陷住光的表面被称为“事件地平线”，它代表黑洞的外部边界。

美国宇航局的一个黑洞的描画，漆黑的心脏被事件地平线包围。 (Image credit: NASA's Goddard Space Flight Center/ background, ESA/Gaia/DPAC )

另一个奇点，真实的奇点或引力奇点不能被数学上处理。没有任何东西可以消除它，因此它过去是现在仍然是在其上物理学完全崩溃的点------黑洞的心脏。

这就是黑洞概念的理论诞生，但它并没有说关于这些宇宙巨人的任何创造------只是那个它们能存在。

在爱因斯坦在1939年辛勤工作来摧毁这个引力奇点从而摧毁黑洞的概念的同时，奥本海默正钻研在这些物体如何成存在的。

用简单的忽略量子效应且不考虑旋转的假设，奥本海默让斯奈德来工作。当后者研究人员发现了对一颗坍塌的恒星似乎要发生什么是依靠一个观察者的观点时这个回报了。

斯奈德理论化了在距离坍塌的恒星一定的距离上，来自一个靠近事件地平线的光源的光会让它的波长被引力拉伸，一个被称为红移的过程，它变得越发红。

同时，从观察者的角度，这种光的频率正在被降低。这种频率降低继续直到对远处的观察者光被有效的“冻结”为止。

奥本海默和合作者意识到，对一个不幸足够坠落在坍塌的恒星的表面的观察者这个故事是相当不同的。处于这个位置的一个观察者会落在事件地平线之外，不会注意到关于它的任何重要的事情。

当然，在现实中，一个观察者会被拉在他们的上半身和下半身上的引力拉力差异造成的强烈潮汐力“意大利面条化”。这将在他们击中事件地平线之前杀死他们，至少对更小的黑洞，其中史瓦西半径接近引力奇点。

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这个概念最初被指为一个“冻结的恒星”，由于在事件地平线的光表观的冻结。直到1967年为止，当普林斯顿大学物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）在一次演讲中捏造了“黑洞”一词时为止它将不会接收它的更熟悉和更简洁的名字。

奥本海默及其同事可能已经采取了与史瓦西不同的道路，但两个物理学家团队仍然到达了同一个目的地：一个恒星体是如此大质量以至于它的引力陷住光线并造成无限的红移的概念。史瓦西有这个理论，但奥本海默及其同事是第一批真正理解一个黑洞的物理诞生的科学家。

三年后，奥本海默将前往洛斯阿拉莫斯，巩固他的在历史和公众认知中的地位。但许多人，尤其是科学家，记得他为黑洞之父。

卡尔梅特总结道，“奥本海默对黑洞物理学和整个物理学做出了一个非常重要的贡献，虽然公众可能会将他的名字与原子弹和曼哈顿计划相关联，但他对物理学和天体物理学的贡献被科学界很好赞赏”。

“他是在他的一生中领先的物理学家之一，极端有影响力的，他的开创性工作今天仍然是相关的”。