黑洞探索先驱

凡是看过宇宙飞船发射的人，即使是在电视上，也会意识到把一个物体从地球表面送到环绕地球的稳定轨道上飞行，必须施加巨大的作用力。而要使物体完全摆脱地球引力的束缚，像著名的旅行者探测器（Voyager probes）那样在太阳系中穿行，并从木星和其他外行星发回惊人的图片，甚至需要更大的作用力。要衡量以这种方式挣脱地球所需要的作用力，最好的办法就是看该逃逸物体的运动速度。对于任何引力源（即宇宙中的任何物体）而言，都存在着一个临界速度，必须达到这个速度，否则物体就无法从它的表面逃逸。这个速度就称之为逃逸速度。如果你能用魔法让地球更密实但大小保持不变，那么地球的质量增加之后，逃逸速度也会加大。尽管诸如太阳和木星之类的天体有着比地球更多的质量，但由于其体积非常庞大，这就使太阳或木星从其中心到表面比地球中心到表面的距离更遥远。别忘记，引力的衰减与该物体中心到表面的距离平方相关联——这就大大削弱了其引力的强度，或者至少抵消了其一部分超额的质量。因此，在一个质量更大（体积也更大）行星的表面，其逃逸速度并不一定就比地球表面的逃逸速度更大，还得看该行星的密度如何。

诸如，火箭之类的空间器，是在起飞后消耗燃料的过程中逐渐加速的。但如果我们有一门足够强大的加农炮，使其炮弹以逃逸速度向上发射，则我们也可以达到同样的效果。如果我们真在地球表面这么干，竖直向上发射炮弹，那么为了摆脱地球引力的控制，炮弹就必须以每小时4万千米（每秒11千米）的速度离开炮口。不能有丝毫降低初速度的情况发生，否则炮弹将会慢下来，然后停下来，最后回落到地球上。而在初速度大于逃逸速度的情况下，移动速度将会放缓，但不会停顿，并将持续穿越到太空当中，直到受其他巨大物体引力的影响为止。从月亮上逃逸的速度是每小时8 570千米，而从木星逃逸的速度差不多是每小时22万千米（刚刚超过每秒60千米）。

无论如何，炮弹都要以逃逸速度垂直向上发射才能脱离行星。如果我们可以在太阳表面架设一门假想中的加农炮，情况又会如何呢？在那儿，逃逸速度应该大于每小时200万千米——听起来真是个令人印象深刻的速度，直到你意识到这不过是每秒624千米而已，大约是地球表面逃逸速度的近57倍，但仍然只有光速的0.2%。所以光可以毫无困难地逃离太阳表面。

18世纪时，科学家们认为光就像牛顿所描述的那样，是由微粒组成的。形象化地描绘一下，就像是从发光物体发射出来的微小炮弹。人们很自然就会猜测到，这些微粒也必然会像其他物体一样受到引力的影响，这就直接导致要解决它从地球上逃逸的速度问题，假设太阳的密度与地球相同，也可以合理地猜测它从太阳上逃逸的速度。假如，宇宙中存在着比太阳更大的天体——其实确实有那么一些恒星是如此的巨大——从其表面逃逸的速度甚至超过了光的速度，那么它们就应该是看不见的！这个令人震惊的想法是由约翰·米歇尔在1783提出来的，在那些老成持重的英国皇家学会会员当中引发了强烈的骚动。

米歇尔出生于1724年，比他的朋友亨利·卡文迪许年轻7岁。就其在科学生涯中的水准而言，他被视为是仅次于卡文迪许的那类英国科学家。直到今天，他仍以地震学之父而闻名于世。他就读于剑桥大学，1752年毕业。他对地震的兴趣是由于1755年里斯本被一次灾难性的地震袭击所激发出来的。米歇尔认为，损害其实是由位于大西洋底下的地震中心引起的。1762年，他被聘为剑桥大学的伍德沃德地质学讲座教授，一年后成为神学士。1764年，他成为约克郡桑希尔教区的牧师。某些书籍让人觉得，约翰·米歇尔牧师不过是个乡村牧师和外行、业余科学家，而事实上，他在进入教会之前就已经确立了科学上的声誉，并在成为神学士之前的1760年就已经被选为皇家学会的会员。

米歇尔对天文学做出了多种贡献，包括首次对恒星距离的实际估算，还包括这样的见解，即夜空中所见到的某些成对出现的星星，并非是两个距离完全不同的天体在观察视线上的偶然相遇，而是互相绕转的真“双星”（binary stars）。还有就是前文已经提到的，他曾建议用扭秤的方法来确定地心引力，虽然在1793年这种测量终于得以实施之前，他就已经去世了。尽管有如此的贡献，但在19世纪和20世纪，米歇尔的名字却几乎被遗忘了，虽然最近对他的声誉有所恢复，但在不列颠百科全书有关他的简介中，甚至没有提到现在看来是他最有先见之明和重大意义的任何一项工作。

米歇尔是第一个在论文中提到暗星（dark stars）的人。该文先是由卡文迪许在1783年11月27日的英国皇家学会会议上宣读，次年出版。这是一篇令人印象深刻的论文，它详细讨论了如何通过测量物体表面发射出的光线的引力效应来探寻恒星的性质，包括其距离、大小和质量等问题。所有的一切都是建立在这样的假设之上：“光粒子”是与“所有我们所熟悉的其他物体同样的方式被吸引的”。因为引力是，米歇尔说，“据我们所知，或有理由相信，一个普遍的自然法则”。在米歇尔这篇长久被遗忘但现在很著名的论文中，还有很多详细的讨论。他指出：

如果在自然界中真的存在密度不小于太阳，直径超过太阳直径500倍以上的实体，则其光芒就无法到达我们……我们将没有视线上的信息；然而，如果任何其他发光体碰巧环绕在其周围，则我们或许可以在某种程度上从这些环绕体的运动来推断中心物的存在性，因为环绕体的明显异常可能会提供一些线索，这不大容易按其他假说来解释；但作为既定假设的后果却是非常明显的。对它们进行思考或多或少超出了我当前的目标，我将不再对它们做进一步的探讨。

用现代语言来说，米歇尔想到的就是一个比太阳大500倍（大约是太阳系到木星以内的范围），与太阳具有相同密度的球体，其表面的逃逸速度就会超过光速。虽然这个想法在伦敦引起了激烈的争论，但如同皇家学会仍然保留的文件中所表明的那样，它似乎并未传扬到英国以外的地方去。例如，彼埃尔·拉普拉斯（Pierre Laplace）就好像是完全不知道米歇尔的见解似的，而在他1796年出版的流行书《宇宙体系论》（Exposition du systeme du monde）中又提出了基本相同的观念。

考虑到法国当时正在发生的政治动荡，对于拉普拉斯不能及时阅读到皇家学会哲学汇刊就不会感到那么奇怪了，他正忙于活命，某些事能证明他还活着就很不错了。他于1749年出生在诺曼底，是当地一位农场主兼地方推事、也可能还兼做苹果酒生意人的儿子。彼埃尔·西蒙直到16岁之前是在当地一家由天主教本笃会开办的学校中学习，然后在卡昂大学学习了两年之后于1768去了巴黎，没有获得学位。在巴黎，他的能力给数学家让·达兰贝尔（Jean d'Alembert）留下了深刻的印象，随之他便成为军事学校的数学教授。1773年，他被选为法兰西科学院的院士。法国革命之前和之后，他都为政府工作。在拿破仑治下，他先任职于曾经引进了米制体系的度量衡委员会，之后又担任过议员（在某种程度上，与牛顿曾作为皇家造币厂厂长而在公共事业中任职有点儿雷同）。1814，感觉到了政治风向正在变，于是拉普拉斯就投向了恢复君主制一方的怀抱；他的回报是在1817年被路易斯十八封为侯爵。之后他仍活跃于公共生活领域，但现在是作为一个波旁王朝的支持者了，直到他于1827年3月去世（是牛顿死后精确到月的整整100年）。神奇的是，就在干着这些勾当的同时，他一点儿也没耽误科学研究工作；事实上，他是非常多产的，从某些方面看，他就是一个法国版的牛顿。除其他工作外，他就是把牛顿的引力理论融会贯通，再加上他自己的一点儿新创见的印记后，运用到了太阳系中去而已。

牛顿自己一直被行星的一个特征行为所困惑。每个行星其自身围绕太阳的轨道，的确是个服从开普勒定律、遵循引力平方反比定律规定的完美椭圆。但对两个或更多的行星，额外的引力就会把它们从开普勒式轨道中扯出来。牛顿担心这些影响可能会导致不稳定，最终使行星脱离其轨道，要么撞入太阳，要么漂流到太空当中。他对这个问题没有从科学上给出答案，但认为上帝之手可能会不时地回来，在这种扰动变得太大之前，就把行星放回其适当的轨道上去。

然而，在18世纪80年代中期，拉普拉斯证明，这些扰动实际上是能够自我纠正的。以木星和土星这两个在太阳系中最大、引力最强的行星为例，他发现，虽然一个轨道可能逐渐缩小若干年，但在一定的时候它又会再次扩大。围绕着纯开普勒式轨道会产生一个周期为929年的往复振动。这是拉普拉斯所做过的最著名基础工作中的一个。当他关于天体力学的这些工作出版成书，拿破仑在评论拉普拉斯的书时说，他已经注意到书中并没有提及上帝，拉普拉斯回答说：“我已经不需要那个假设了。”

拉普拉斯版本的暗星假设——他称它们为“des corps obscures”，可翻译为“不可见实体”，并且他显然认为其存在的可能性比上帝更大——基本上与米歇尔的看法相同。他们之间有一个小小的差异，即拉普拉斯是以地球的密度来描述暗星物体，这就远大于太阳的密度，因此计算出来的直径是太阳的250倍，而不是500倍。他认为：

在神圣的空间中可能存在着看不见的物体，其大小，也许在很大程度上像大多数恒星那样大。具有与地球一样密度的发光亮星，若其直径大于太阳的250倍，因为它的吸引力，将不会允许任何射线到达我们。因此，就有这样的可能性，作为宇宙中最大的发光体，由于上述原因，它却是不可见的。

对暗星的讨论出现在1796年出版的《宇宙系统论》第一版和1799年出版的第二版中。1801年，德国天文学家约翰·冯·索德纳（Johann von Soldner）计算了光线经过恒星附近时，因受牛顿引力的影响而弯曲的情况，甚至推测组成银河系的恒星可能围绕着一个质量非常巨大的、拉普拉斯所设想类型的中心“不可见实体”运转（但他觉得它们大概不是直接进行环绕运动。因为他认为，如果它们真的进行了这样的运动，那就应该被检测出来）。然而，在《宇宙体系论》1808年的版本中，以及后续的各个版本中，有关暗星的讨论都被删除了。为什么拉普拉斯放弃了这个观念呢？很有可能是因为牛顿的那种像微型炮弹一样穿越空间的光微粒图景，似乎不再准确了。取而代之的是英国的托马斯·杨（Thomas Young）和法国的奥古斯汀·菲涅耳（Augustin Fresnel）的理论，他们揭示了光的行为更像是一种波动。 6Gc0YmKF3U/VKBQVJt5E28CIQ6A6ZzU7xbTN7VNmsj2nRxklQfmBOJtr/E3P5bx4