原子弹之父奥本海默也是黑洞之父吗？

在黑洞被发现之前，这位理论物理学家对黑洞进行了研究。

“原子弹之父”罗伯特·奥本海默旁边的黑洞插图。 （图片来源：ESO、ESA/哈勃、M. Kornmesser/Robert Lea）
在成为“原子弹之父”之前，罗伯特·奥本海默对黑洞科学做出了重大贡献。
无论好坏，奥本海默将永远与原子弹令人难以置信的破坏力和蘑菇云的形象联系在一起，蘑菇云是一种近乎圣经的破坏象征。
但在 1942 年前往新墨西哥州洛斯阿拉莫斯为原子弹的研发做出贡献之前，奥本海默是一位专注于量子物理学的理论物理学家。
1939年，他和加州大学伯克利分校的同事哈特兰·S·斯奈德（Hartland S. Snyder）发表了一篇题为《论持续引力收缩》的开创性论文，该论文使用阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论和广义相对论的方程来展示黑洞是如何诞生的。
英国苏塞克斯大学物理学教授泽维尔·卡尔梅特说：“奥本海默提出了第一个坍缩模型来描述恒星如何坍缩成黑洞。 ” “这个模型将黑洞的形成解释为一个动态天体物理过程，这是足够重的恒星演化的最后阶段。这个模型至今仍在使用。”
卡尔梅特说，他最近在一篇描述考虑量子引力时黑洞坍缩的论文中自己使用了该模型。
“这个模型非常重要，因为它是可分析求解的——求解方程可以用笔和纸完成，不需要数值工作。因此，所有物理现象都很容易追踪，”他说。“然而，尽管它很简单，甚至可能很粗糙，但它足够复杂，足以描述坍缩恒星的许多特征。”
具有讽刺意味的是，当奥本海默和斯奈德撰写这篇严重依赖于 1915 年广义相对论的论文时，该理论之父爱因斯坦本人正在完成旨在证明黑洞不可能存在的研究 。
当然，历史会证明奥本海默关于黑洞的看法是正确的。
奥本海默挑战极限
在奥本海默提出恒星坍缩和黑洞诞生理论的八年前，另一位理论物理学家正在思考当恒星耗尽核聚变燃料时会发生什么。
当这种燃料耗尽时，恒星就无法再支撑自己抵抗引力塌缩。当恒星的外层脱落时，其核心迅速收缩，留下奇异的恒星残余物。残余物的性质取决于恒星核心的质量。
印度裔美国物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡 (Subrahmanyan Chandrasekhar) 意识到，对于质量小于太阳 1.4 倍的恒星核心，由于量子效应阻止粒子“挤压”得太近，引力塌缩将会停止。
这被称为钱德拉塞卡极限，低于它的任何恒星——除非它有一个恒星伴星为其提供物质——注定会以一颗被称为白矮星的闷燃恒星残骸的形式结束其存在。这将是我们的恒星太阳的命运，它在大约 50 亿年后耗尽了其核心的氢。
对于质量至少是太阳 1.4 倍的恒星核心，有足够的压力，因此在引力塌缩过程中会产生热量，从而可以触发进一步的核聚变，氢本身聚变产生的氦会形成氮、氧和碳等更重的元素。
质量最大的恒星会经历一系列的坍塌和核聚变。但奥本海默和他的学生想知道这条引力塌缩路径通向何处，从而了解宇宙最大恒星的最终状态。
1916 年，一位德国物理学家就已经给出了这个答案。奥本海默只需找出如何实现这一目标。
黑洞的两次诞生
1915 年，第一次世界大战期间，天文学家卡尔·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 在德国军队前线服役时，得到了一本爱因斯坦的广义相对论。令人惊讶的是，令爱因斯坦震惊的是，在这些极其恶劣的条件下，史瓦西设法计算出广义相对论场方程的精确数学解。
在这些解决方案中潜藏着两个令人不安的东西——被称为“奇点”的地方，我们所知道的物理学完全崩溃了。这些奇点表明存在重力如此强大的物体，它们可以“吞噬”光。
其中一个奇点被认为是坐标奇点，可以通过一些巧妙的数学操作来消除。这个坐标奇点后来被称为史瓦西半径——在这个点上，物体的引力变得如此之大，以至于逃离其控制所需的速度大于光速。
这一单向光捕获表面被称为“事件视界”，它代表了黑洞的外边界。

美国国家航空航天局 (NASA) 的黑洞插图，漆黑的中心被视界包围。（图片来源：NASA 戈达德太空飞行中心/背景、ESA/Gaia/DPAC）
另一个奇点，即真实奇点或引力奇点，无法用数学方法处理。没有任何东西可以将其移除，所以它过去是，现在仍然是物理学完全崩溃的点——黑洞的中心。
这就是黑洞概念的理论诞生，但它并没有说明这些宇宙巨人的创造——只是说它们可以存在。
当爱因斯坦在 1939 年努力摧毁这个引力奇点，从而摧毁黑洞的概念时，奥本海默正在深入研究这些物体是如何存在的。
奥本海默利用忽略量子效应且不考虑旋转的简单假设，让斯奈德开始工作。当后一位研究人员发现坍缩恒星所发生的情况取决于观察者的观点时，这一点得到了回报。
斯奈德推测，在距坍缩恒星一定距离处，来自靠近事件视界的光源的光的波长会因重力而被拉伸，这一过程称为红移，并且变得越来越红。
与此同时，从观察者的角度来看，这种光的频率正在降低。这种频率降低一直持续到对于远处的观察者来说，光被有效地“冻结”。
奥本海默和合作者意识到，对于不幸与坍缩恒星表面一起坠落的观察者来说，故事是完全不同的。处于这个位置的观察者会掉到事件视界之外，而不会注意到任何重要的事情。
当然，在现实中，观察者会因为上半身和下半身的引力差异而产生的强烈潮汐力而被“面条化”。这将在它们到达事件视界之前杀死它们，至少对于史瓦西半径接近引力奇点的较小黑洞来说是这样。
由于事件视界处的光明显冻结，这个概念最初被称为“冻结恒星”。直到 1967 年，普林斯顿大学物理学家约翰·惠勒 (John Wheeler) 在一次演讲中创造了“黑洞”一词，它才得到了更熟悉、更活泼的名字。
奥本海默及其同事可能采取了与史瓦西不同的道路，但两支物理学家团队仍然达到了相同的目的地：恒星体的概念如此巨大，以至于其引力捕获了光并导致无限的红移。史瓦西有这个理论，但奥本海默和他的同事是第一批真正理解黑洞物理诞生的科学家。
三年后，奥本海默前往洛斯阿拉莫斯，巩固了他在历史和公众认知中的地位。但许多人，尤其是科学家，都记得他是黑洞之父。
“奥本海默对黑洞物理学和整个物理学做出了非常重大的贡献，”卡尔梅特总结道。“虽然公众可能会将他的名字与原子弹和曼哈顿计划联系起来，但他对物理学和天体物理学的贡献受到科学界的高度赞赏。
“他是一生中最重要的物理学家之一，极具影响力，他的开创性工作至今仍然具有现实意义。”