物理群星
1916 相对论

施瓦西解

The Schwarzschild Solution

爱因斯坦方程发表一个月后,一位在东线战壕里的天文学家寄来了它的第一个精确解——里面藏着黑洞。

当时的困境

1915 年 11 月,爱因斯坦发表了广义相对论的场方程。

它们很美,也很难对付:十个耦合的非线性偏微分方程,未知量是时空的度规,而度规本身又出现在方程的每一项里。非线性的根源是物理性的——引力场携带能量,能量产生引力,场因此成为自己的源。

爱因斯坦本人认为这套方程只能近似求解。他算水星近日点进动时用的就是逐级近似:先取平直时空,再一阶一阶地加修正。这个办法给出了正确答案,但每一步都要重新展开,而且无法处理强场。

也就是说,方程写出来了,却没有人知道任何一个精确解长什么样。

洞见时刻

一个月后,一封信从俄国前线寄到柏林。

写信的是卡尔·施瓦西,四十二岁,波茨坦天体物理台台长,一战爆发时自愿入伍,此时在东线的炮兵部队计算弹道。他在战壕里读到了爱因斯坦的论文,并求出了精确解。

他的思路是先用对称性把问题压缩。假设质量分布是球对称的、不随时间变化的、周围是真空。这些假设把度规的十个独立分量压缩到两个未知函数,方程随之简化到可以直接积分。

结果就是施瓦西度规。它给出了太阳、地球、任何近似球形天体周围的时空几何——精确的,不是近似的。

爱因斯坦 1916 年 1 月 9 日回信,说自己没料到能以如此简单的方式得到精确解,并在 1 月 13 日代他向普鲁士科学院宣读了论文。一个月后施瓦西又寄来第二篇,处理球状流体的内部解。

四个月后,施瓦西因在前线感染的疾病去世。

涟漪效应

解里有一个特殊的半径,rs=2GM/c2r_s = 2GM/c^2,今天叫施瓦西半径。对太阳约三公里,对地球约九毫米。

由于真实天体的半径远大于这个值,这个特殊半径落在物体内部,那里由内部解接管,不构成任何问题。麻烦在于:如果一个天体真的被压缩到这个半径以内呢?

数学上,度规在 r=rsr = r_s 处某些分量发散。此后二十多年,包括爱因斯坦在内的多数人把它当作理论失效的信号,认为自然界不会允许这种情形。爱丁顿 1935 年当众驳斥钱德拉塞卡时用的正是这个立场。

三步把它扭转过来:

1939 年,奥本海默与斯奈德算出,对足够重的星,没有任何已知的力能阻止塌缩——它会一直塌到 rsr_s 以内。

1958 年,芬克尔斯坦证明 r=rsr = r_s 处的奇异只是坐标选取造成的假象。换一组坐标,那里一切正常。它不是墙,而是一个单向的门:进得去,出不来。真正的奇点在中心。

1963 年,克尔找到了旋转情形的精确解——真实天体都在自转,克尔解才是现实中黑洞的描述。1967 年惠勒把这类天体命名为”黑洞”。

如果没有它

施瓦西解至今是广义相对论中最重要的解,几乎所有相关计算的起点。

日常的:GPS 卫星的时间修正用的是它的弱场极限;水星近日点进动的精确值、光线经过太阳的偏折、引力红移,都从它算出。

极端的:黑洞吸积盘的模型、恒星绕银河系中心黑洞运动的轨道拟合(2020 年诺贝尔奖的那批观测)、2015 年 LIGO 探测到的两个黑洞并合中每一个的视界大小,用的都是同一个公式。

2019 年事件视界望远镜拍下 M87 中心黑洞的照片,图像中央那个暗区的边缘,直接对应施瓦西半径的量级。

一个人在世界大战的战壕里用几周时间写下的东西,成了此后一百年黑洞物理的第一行。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.施瓦西《关于按爱因斯坦理论的质点引力场》,普鲁士科学院会议报告(1916 年 1 月 13 日宣读)
  2. 2.爱因斯坦《广义相对论的基础》,《物理学年鉴》第 354 卷第 769 页(1916)
  3. 3.奥本海默与斯奈德《论持续的引力坍缩》,《物理评论》第 56 卷第 455 页(1939)