被遗忘24年的宇宙预言：恒星坍缩到啥程度会成黑洞？

摘要：我们都知道，房子需要坚固的地基撑着，才不会塌。那宇宙中的星星“死”后，靠什么撑着，避免被自身重量压垮呢？科学家们先是发现了一种叫“白矮星”的“支架”，但它有个承重极限，也就是钱德拉塞卡极限（回顾汪诘 |黑洞史话 04：不符合美学的计算值）。后来，一个怪才天文学

黑洞史话 05

我们都知道，房子需要坚固的地基撑着，才不会塌。那宇宙中的星星“死”后，靠什么撑着，避免被自身重量压垮呢？科学家们先是发现了一种叫“白矮星”的“支架”，但它有个承重极限，也就是钱德拉塞卡极限（回顾汪诘 | 黑洞史话 04：不符合美学的计算值）。后来，一个怪才天文学家预言了更强大的“中子星”支架。但如果…连这个宇宙中最强的“支架”也撑不住时，会发生什么？

20 世纪 30 年代的加州理工学院，是天才和怪才的聚集地。而在所有怪才之中，弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）无疑是王冠上那颗最扎手的钻石。

弗里茨·兹威基

这位瑞士天文学家，长得像个脾气暴躁的矮人，脑子里却装着整个宇宙。他精力旺盛，想象力天马行空，并且以一种近乎粗暴的方式蔑视所有他认为是“平庸”的想法。同事们私下里称他“球形混蛋”，意思是，你从任何一个角度看他，他都是个混蛋。

唯一能忍受兹威基的人，是性格温和沉稳的德国天文学家沃尔特·巴德（Walter Baade）。我自创一个兹威基定律：如果一个人能和兹威基合作，那这个人就可以和天下所有人合作。但一个能和天下所有人合作的人，最终也一定会和兹威基反目。

沃尔特·巴德

但即便是这样，没有人会否定兹威基在天文学上的天赋异禀。这一天，兹威基冲进了巴德的办公室，他把一张刚冲洗出来的天文底片“啪”地一声拍在桌上，震得咖啡杯都跳了起来。

“沃尔特，来看这个！”兹威基的声音像机关枪一样，“仙女座星系，看到了吗？这个突然冒出来的小亮点，比它所在的整个星系加起来还要亮！这不是普通的‘新星’，这是一种全新的东西！”

巴德扶了扶眼镜，凑过去仔细观察。他知道，兹威基肯定是又有了什么疯狂的想法，他已经见怪不怪了。当时天文学家们所知道的新星，只是恒星表面的一点小规模爆炸，亮度有限。而照片上的这个光点，其亮度简直是在向全宇宙宣告自己的死亡。

“我管它叫‘超新星’（Supernova）！”兹威基挥舞着手臂，唾沫星子横飞，“这不是小打小闹，这是一颗大质量恒星的‘自毁式’大爆炸！它把自己的身体炸得粉碎，只留下最核心的部分。你想想，沃尔特，当那么巨大的质量，在引力的驱使下猛地向内坍缩时，会发生什么？”

SN 1994D（左下方的亮点）是在星系NGC 4526的一颗Ia超新星

巴德沉思了一会儿，慢条斯理地说：“这让我想起了钱德拉塞卡的论文，难道，它会无限坍缩下去？”

“你说的是那个印度小鬼吗？”兹威基不屑地撇撇嘴，“这小鬼倒是有点鬼才。不过，他还是太嫩了。在无限坍缩之前，一定还有更刺激的事情发生！引力会像一只无形的大手，把原子本身都捏碎！电子会被生生地压进质子里，‘噗’的一下，它们就合并了，变成了……”

巴德忍不住插嘴说：“变成中子吗？”

“没错，就是中子！”

巴德倒吸了一口凉气。把电子压进质子？这在当时听起来就像是炼金术一样疯狂。

兹威基的眼睛里闪烁着狂热的光芒：“然后，整颗恒星的核心，就会变成一个由中子挤在一起组成的、巨大无比的‘原子核’！一颗‘中子星’（Neutron Star）！它的密度，会让你的白矮星看起来像棉花糖一样松软！”

就这样，中子星这个日后大名鼎鼎的单词被兹威基随口创造了出来。

然而，当兹威基和巴德在一次学术会议上提出这个猜想时，他们遭遇了和钱德拉塞卡差不多的反应，很多人认为他们疯了。但兹威基与钱德拉塞卡不同，别人越是不理解他，他反而笑得越大声，他毫不在乎别人怎么看，他只相信自己那如同野兽般凶猛的直觉。

兹威基是科学史上第一个提出暗物质，第一个提出超新星，第一个提出中子星的人，这些都是在当时被认为是天方夜谭，但最终被证实的伟大成就。如果不是他把全世界的天文学家都得罪了个遍，他的成就足以配得上诺贝尔奖。

不过，当真理的石子扔进池塘，必然会激起了一圈圈涟漪。也总有敏锐的科学猎手会感受到涟漪的震动。

在离加州理工不远的加州大学伯克利分校，就有一位无比敏锐的猎手。此时的奥本海默斜靠在椅子上，指间夹着一支即将燃尽的香烟，烟灰摇摇欲坠。他的目光并非落在窗外明媚的加州阳光上，而是投向了面前那块写满了复杂方程的黑板。兹威基那充满火药味的猜想，和钱德拉塞卡那篇带着海洋咸味的、冰冷精确的论文，在他脑海中交织碰撞。一个是充满野性的咆哮，一个是带着宿命感的低语，但它们都指向了同一个令人不安的深渊：当引力最终撕碎所有已知的物理定律时，会发生什么？对奥本海默而言，这不仅仅是一个有趣的天体物理问题，这还是一个关乎物理学灵魂的根本性危机。但是，他喜欢这种危机。

奥本海默

与兹威基的粗犷狂放不同，奥本海默是一位优雅、敏感、甚至有些忧郁的知识贵族。他身材瘦削，常常烟不离手，深邃的眼神仿佛能看透物质世界的表象。如果说兹威基的武器是直觉和想象力，那么奥本海默的武器，就是无坚不摧的数学和物理学原理。

当钱德拉塞卡的理论和兹威基的猜想传到他耳中时，他立刻意识到，这两者共同指向了一个物理学中最深刻的问题：物质在引力面前的终极命运是什么？

他决定用最严格的理论，来正面回答这个问题。就像金庸小说中，名门正派的大宗师，面对一招邪门武功时，以不变应万变，决定用最法度最严谨的内功与之抗衡。

奥本海默的思考路径是这样的：印度小伙钱德拉塞卡已经证明，当恒星残骸的质量超过 1.44 倍太阳质量时，抵抗引力的“电子简并压”就会失效。此时，引力会毫无阻碍地继续向内碾压。

在这恐怖的压力下，原子结构被彻底摧毁。引力这只无形的大手，会强行将带负电的电子，塞进带正电的质子中。这个过程，后来被称为“逆贝塔衰变”。于是，大力出奇迹，质子和电子强行合并，变成了一个不带电的中子，同时释放出一个几乎没有质量、可以畅通无阻地穿透一切的幽灵粒子——中微子。

当恒星核心大部分的质子和电子都完成了这个“变身”后，它就成了一颗主要由中子构成的星球——中子星。

那么，是什么力量阻止了中子星继续坍缩呢？答案和白矮星类似，但这一次，换了主角。中子和电子一样，也属于“费米子”大家族，它们同样要遵守“泡利不相容原理”这条霸道规则。当中子们被挤在一起时，它们也会产生一股强大的斥力，这股力量，就叫做“中子简并压”。

讲到这里，我想插一嘴，上篇文章我们对爱丁顿进行了一番批判。其实爱丁顿的直觉也不能算完全错，因为“电子简并压”之后还有“中子简并压”，因此，钱德拉塞卡当时的结论确实是错的，大于 1.44 倍太阳质量的白矮星并不会无限坍缩，到了一定程度，它就会在中子简并压下重新达到平衡点，成为一颗中子星。不过，我们可以合理推测，即使当时钱德拉塞卡的推演抵达了中子简并压，然后再得出无限坍缩的结论，爱丁顿依然还是会用“不符合美学”这条理由来认定钱德拉塞卡的推论是荒谬的。所以，从这个意义上来说，我们对爱丁顿的批评并不为过。

中子简并压比电子简并压要强大得多得多！它能撑起一颗质量比太阳还大，但直径却只有 20 公里左右（差不多一个中等城市大小）的星球。中子星的密度，达到了每立方厘米数亿吨的惊人程度。一小勺中子星的物质，就相当于地球上所有人类体重的总和！

现在，奥本海默和他最出色的学生乔治·沃尔科夫（George Volkoff）要做的，就是计算这股强大的“中子简并压”，它的极限又在哪里呢？

奥本海默之所以能在黑洞研究史上占据如此重要的地位，就是因为他们使用的武器，是爱因斯坦的广义相对论。为什么必须用广义相对论？因为钱德拉塞卡的计算，本质上还是在牛顿引力的框架下进行的。但在广义相对论中，引力的来源不仅仅是质量，压力本身也是一种引力源！

听到这句话，可能有些听众有点懵，怎么压力也会变成引力源呢？

来，我们来复习一下本系列“弯曲的时空”那一篇。还记得吗？广义相对论的场方程是一个等式，等式的左边表示时空的形状，等式的右边是什么？质量和能量的分布。所以，引力并不是真实存在的力，它只是时空形状的一种表现。能够影响时空形状的不仅仅是质量，还有能量。所以，能量也会表现出引力。巨大的压力就是巨大的能量，这就是为什么我说压力本身也是一种引力源。

所以，中子星内部那抵抗坍缩的巨大压力，同时也在为引力“添砖加瓦”，让向内的拉扯变得更强。这是一个牛顿理论中完全没有的“自我增强”效应。奥本海默意识到，对于中子星这种极端天体，必须考虑这种效应，否则计算就是不完备的。换句话说，钱德拉塞卡的计算确实是不完备的，只用量子力学和狭义相对论并不能得到正确的结果，必须要用到广义相对论才能算出正确的结果。

所以，奥本海默和沃尔科夫的计算，是一场真正的“双线作战”。他们必须同时解两组方程：

第一组方程，是描述中子这种量子物质的“状态方程”。它回答的是：在给定的密度下，这群中子能产生多大的向外的“中子简并压”？这就像是在评估一个建筑材料（中子气体）的抗压强度。

第二组方程，就是爱因斯坦的广义相对论场方程。它回答的是：在这样的密度和压力下，时空会向内弯曲到什么程度？引力到底有多强？这就像是在计算建筑材料的强度，如何影响整个建筑（星球）的稳定结构。

你可以把这个过程想象成，他们要在一块巨大的、柔软的橡胶垫上，用一种有弹性的积木，去搭一座尽可能高的塔。在这里，“积木的抗压性”由状态方程决定，而“橡胶垫的凹陷程度”则由广义相对论场方程决定。奥本海默和沃尔科夫要找的，就是这座“积木塔”能够稳定存在的最高高度——一个积木的弹性和地基的凹陷达到脆弱平衡的临界点。

经过极其复杂的计算，他们得出了一个惊人的结论：中子星同样存在一个质量上限！

这个极限，就是著名的“托勒曼-奥本海默-沃尔科夫极限”，简称为 TOV 极限。不过，有趣的是，它的精确值直到今天，物理学家们还在争论不休，但普遍认为在 2 到 3 倍太阳质量之间。

换句话说，如果一颗超大质量恒星在爆炸后，留下的核心质量超过了 TOV 极限，那么，就连宇宙中最强大的支撑力——中子简并压，也撑不住了。

至此，物理学中所有已知的、能够抵抗引力的力量，都已经全部用尽。

那么，接下来会发生什么？

这个问题，像一个幽灵，盘旋在奥本海默的脑海中。他决定，要直面这个所有人都试图回避的终极问题。

他和他另一位学生哈特兰·斯奈德（Hartland Snyder），开始着手模拟当一颗恒星的质量超过 TOV 极限后，那无法阻挡的、持续的引力坍缩过程。

这一次，他们做出了一个更大胆、也更简洁的理想化模型：他们假设这颗恒星是一团均匀的、没有任何压力的“尘埃云”。这个模型虽然简单，却足以抓住引力唱主角时最核心的物理本质。

在他们的计算中，一个诡异而奇妙的景象出现了。

对于一个跟随恒星物质一同向内坠落的观测者来说，整个过程非常迅速。他会在有限的时间内，眼看着自己和所有物质一起，被挤压成一个无限小的奇点，然后归于虚无。

但对于一个遥远的、静止不动的外部观测者来说，他看到的景象却完全不同。他会看到，这颗坍缩的恒星，其表面的时间流逝得越来越慢（引力时间膨胀效应）；从恒星表面发出的光，也变得越来越红，能量越来越低（引力红移效应）。

当恒星的半径收缩到它的“史瓦西半径”时，在外部观测者看来，时间仿佛完全静止了，光也完全红移到了看不见的波段。这颗星，就像一部被按下了暂停键的电影，永远地“定格”在了它的史瓦西半径上，变成一个暗淡、静止的幽灵。

这就是奥本海默和斯奈德在 1939 年得出的惊人结论。他们用爱因斯坦自己的理论，第一次完整地描绘了一颗恒星，是如何坍缩成一个连光都无法逃脱的、被时空包裹的“囚笼”的。

这篇名为《论持续的引力坍缩》的论文，是物理学史上第一篇关于黑洞形成的现代论文。当然，这个时候，“黑洞”这个词还没有诞生。1939 年 9 月 1 日，这篇预言了宇宙中最极端天体的论文，在《物理评论》杂志上正式发表。

然而，历史的巧合有时残酷得像一出精心编排的戏剧。就在同一天，纳粹德国的装甲洪流越过波兰边境，第二次世界大战的欧洲战事全面爆发。

全世界的目光，瞬间从遥远的星辰，聚焦到了地球上燃烧的城市和流血的土地。地球上的那些最厉害的物理学家，包括奥本海默自己，很快就被卷入了一场更紧急、更具毁灭性的物理学应用中——原子弹的研制。

那个关于恒星最终命运的深刻预言，那个在理论上已经被清晰描绘出来的“宇宙怪物”，它的诞生之日，恰逢人类文明陷入至暗之时。它就像一颗被遗忘的种子，在战争的废墟下，开始了它漫长的、无人问津的沉睡。

就这样过去了 24 年，直到 1963 年，第二次世界大战的硝烟已经彻底消散。

又是加州理工学院，一个沉闷的午后。

天文学家马尔滕·施密特（Maarten Schmidt）烦躁地在办公室里踱步。他的桌上，摊着一张来自帕洛马山天文台的底片，上面是一个编号为 3C 273 的射电源的光谱。所谓射电源，就是宇宙中的某个点发出强烈的射电信号。射电信号就是电磁波信号，可以被射电望远镜接收到。射电信号也可以像可见光一样，被分解成光谱信号。

这张光谱图，像一份来自外星的、加密过的电报，已经困扰了整个天文学界好几个月。那几条明亮的发射线，不属于任何已知的元素，它们就像是宇宙开的一个恶劣玩笑。

“马尔滕，还在看那个鬼东西？”他的同事杰西·格林斯坦走了进来，疲惫地问。

“是啊，杰西。我感觉我的脑子要烧掉了。这东西到底是什么？它不可能是我们银河系里的恒星，否则它的光谱我们早就认识了。可如果它在银河系外，那它得有多亮，我们才能看得到？”

格林斯坦摇了摇头，叹了口气：“也许，我们发现了一种全新的天体，遵循着一种全新的物理定律。”

“全新的物理定律……”施密特喃喃自语，他重新坐下，目光死死地盯着那几条毫无规律的谱线。他拿起铅笔，无意识地在纸上比划着谱线之间的距离。突然，他的手停住了。一个念头，一个疯狂但并非不可能的念头，像闪电一样击中了他。

“等等……杰西，”他的声音有些颤抖，“如果……如果这些谱线我们都认识呢？如果它们只是普通的氢光谱线……但是被极大地拉长了呢？”

格林斯坦愣了一下：“被拉长？你的意思是……红移？不可能！那得有多大的红移量？那意味着它离我们远得不可思议！”

在刚才这段对话中，可能出现了几个你陌生的术语。我解释一下，氢光谱线，就是氢元素发出的光谱线，这是科学家们非常熟悉的光谱线。光谱长得很像你在商品包装上看到的条形码，它有两端。其中一端，被叫做“红端”，另一端被叫做“蓝端”。所谓的红移，就是这条光谱线朝着“红端”移动了一段距离。