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認真閱讀下面的文章，并思考文末互動提出的問題，嚴格按照 互動：你的答案 格式在評論區(qū)留言，就有機會獲得由中譯出版社提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《太陽記：從太陽神到觀星者》 只有富有全局觀的人，比如圣人、瘋子或神秘人，才能幫助我們破解宇宙構(gòu)成原理的密碼。  1873年10月9日，卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）出生于德國法蘭克福的一個猶太家庭，他自小就對天文學(xué)以及像音樂、美術(shù)等學(xué)科感興趣。年僅16歲時，憑借杰出的能力，他就寫出了第一篇研究論文。這是一篇關(guān)于天體力學(xué)的雙星軌道理論的文章，于1890年發(fā)表在最古老的天文學(xué)期刊——《Astonomische Nachrichten（天文學(xué)筆記）》上。 他在慕尼黑大學(xué)獲得了博士學(xué)位，期間的工作是研究亨利·龐加萊關(guān)于旋轉(zhuǎn)體穩(wěn)定構(gòu)型和月球影響潮汐變形的理論。1901至1905年期間，他作為教授供職于哥廷根一家知名的研究所，有機會與菲利克斯·克萊因、大衛(wèi)·希爾伯特以及赫爾曼·閔可夫斯基等許多著名數(shù)學(xué)家共事。隨后他搬至波茨坦，在天文觀測站擔(dān)任所長，并在光譜學(xué)領(lǐng)域有所建樹。 亞瑟·愛丁頓爵士如此評價他：“對于他這樣一位在數(shù)學(xué)和物理學(xué)所有分支都擁有廣泛愛好的人來說，周圍的環(huán)境一定充滿趣味。” 1914年一戰(zhàn)爆發(fā)后，史瓦西已經(jīng)40歲，仍然志愿服兵役，在比利時負責(zé)氣象站工作，還在法國炮兵部隊服過役，幫助計算炮彈彈道。
在東部前線時，史瓦西拿到了一卷普魯士皇家科學(xué)院院刊，了解到了愛因斯坦的廣義相對論理論。 在俄國期間，他撰寫了關(guān)于愛因斯坦理論和普朗克量子理論的論文，后篇包括了對斯塔克效應(yīng)（氫原子譜線在外部電場下移動的現(xiàn)象）的解釋和對這一效應(yīng)基于量子理論假設(shè)的證明。 愛因斯坦場方程的第一個精確解要真正欣賞史瓦西的工作，必須了解一些物理學(xué)史。 1915年12月22日，阿爾伯特·愛因斯坦收到了一封來自一戰(zhàn)戰(zhàn)壕的信。破舊褶皺的信封上覆滿塵土，寄件人的姓名已經(jīng)被一大塊血跡蓋住。打開后他才看到這個天才的名字：卡爾·史瓦西。
愛因斯坦被這封剛到手的信完全震撼了，其中包含了廣義相對論中場方程的第一個精確解，它可以完美地描述有質(zhì)量物體周圍時空的幾何或扭曲。 愛因斯坦震驚的原因在于，僅僅在他理論發(fā)表后的一個月，史瓦西就能夠找出這些復(fù)雜且高度非線性的偏微分方程的精確解，而他自己作為理論的提出者，也不過只是能給出找到近似解的數(shù)學(xué)技巧而已。史瓦西在充斥著爆炸和毒氣的戰(zhàn)場中做到這些無異于一個奇跡。 對史瓦西的結(jié)果進行輕微的調(diào)整就可以得到一個以他的名字命名的著名的解——史瓦西度規(guī)（Schwarzschild metric）。 現(xiàn)在，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家通常會借助強大的計算機和數(shù)值技巧來求解這些棘手復(fù)雜的方程。 愛因斯坦為此非常滿意，因為他知道這樣強大的結(jié)果完全足以引發(fā)物理學(xué)界對（此前反響寥寥的）廣義相對論的興趣。 他回復(fù)了這封信，并許諾將這個工作發(fā)表在普魯士學(xué)會的一個會議上：
史瓦西解的闡釋史瓦西采用了簡單的假設(shè)，考慮一個真空的、球?qū)ΨQ、不帶電荷、無旋轉(zhuǎn)的理想情況，隨后運用場方程確定天體的中心質(zhì)量使空間變形的情況，和炮彈放在一個塑料板上使其變形類似。 沒有宇宙常數(shù)的廣義相對論方程可以寫作： 其中，是里奇曲率張量，R是里奇標(biāo)量，是度規(guī)張量，為應(yīng)力-能量-動量張量，通過假設(shè)真空條件，史瓦西可以將取零。 史瓦西度規(guī)如下： 其中r和M分別代表中心體的半徑和質(zhì)量。 在距離球體距離較長時，重力表現(xiàn)得和牛頓預(yù)測的一樣；但如果靠近具有強引力質(zhì)量的物體，廣義相對論的結(jié)果就會偏離牛頓的經(jīng)典描述。 史瓦西的精確解在今天具有廣泛的應(yīng)用，比如追蹤天體的軌跡、行星軌道，以及光線經(jīng)過強引力體時的偏轉(zhuǎn)角。 史瓦西奇點像之前愛因斯坦預(yù)言的那樣，史瓦西度規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)恒星符合得很好，周圍的空間彎曲是有限的，但這個解還留下了些非常奇怪的問題。 當(dāng)一個巨大的天體耗盡燃料并由于自身引力驅(qū)使開始坍縮，中心質(zhì)量集中在一個小的區(qū)域時，就會出現(xiàn)復(fù)雜的情況。 史瓦西的計算預(yù)測，時空結(jié)構(gòu)在這種情況下不只會彎曲、而是完全撕裂，巨大的引力會導(dǎo)致塌縮持續(xù)，星體的密度會不斷增加，直到空間具有無限曲率，最終永遠與世隔絕，變成一個不可逃脫的洞。這被稱為史瓦西奇點，也就是我們熟悉的“黑洞”。
由于物理學(xué)當(dāng)時還沒有接受無窮的意義（無窮當(dāng)時沒有物理意義），史瓦西起初認為自己的解只是一個特殊的數(shù)學(xué)結(jié)果，是永遠沒有自然界實體對應(yīng)的抽象想法，他認為方程中出現(xiàn)的奇點只是個不合理的錯誤。 史瓦西解的物理闡釋不僅違反常識，而且還會違背愛因斯坦的理論甚至動搖物理學(xué)的根基，因為在奇點中，時空的概念不再存在。 史瓦西便開始致力于去除奇點，他以為其中的差別可能源于引入了理想假設(shè)，而現(xiàn)實中并不存在這樣完美的不帶電球體。 進行這個工作時，他用完了三個筆記本，推出每個物體內(nèi)都包含一個奇點，當(dāng)物質(zhì)被充分壓縮到一個特定的半徑時就會出現(xiàn)。對于太陽來說，這個半徑是3千米；而對于地球則是8毫米。 在奇點之外存在一個壁壘，是不能“回頭”的標(biāo)志點，一旦一個物體跨過這條線，就會被永遠困住。幾十年后，這個臨界極限被命名為史瓦西半徑。 難道就沒有人知道奇點內(nèi)有什么了嗎？史瓦西度規(guī)預(yù)測時空會互換角色：空間會像時間那樣流動（單向指向奇點），而時間會像空間那樣展開（過去、現(xiàn)在和將來不能區(qū)分）。 這樣的扭轉(zhuǎn)則會違背因果律：在假設(shè)中，如果一個人能越過這道溝壑，那他就能收到來自未來的光信號，于是他便可以預(yù)見沒有發(fā)生的事件。如果他能避免重力撕碎并達到中心，就可以在一瞬間分辨宇宙的未來演化和過去。 《閃電俠》中好像就涉及到了這樣離奇的科幻情節(jié)。 水星的近日點進動拋開其他的不談，史瓦西度規(guī)使廣義相對論獲得了認可，因為它完美地描述了水星軌道長期的異常行為（水星近日點進動）。 人們知道，行星以橢圓形軌道繞太陽運動。每個行星的質(zhì)量都會對其他行星的軌道產(chǎn)生微小的影響，其他行星的軌道受到影響都會繞太陽產(chǎn)生進動。除了水星以外的其他行星受到的影響都很微小，可以用牛頓的引力定律解釋。 而水星軌道被觀測到一個很明顯的進動，并不與用牛頓力學(xué)計算的結(jié)果符合。一開始人們認為，這是由于太陽和水星之間還存在另一個行星——被稱為“祝融星”，產(chǎn)生了這樣的差異，但它從未被觀測到。 史瓦西計算出了水星軌道的解，并表明相對論導(dǎo)致軌道自己產(chǎn)生進動，這支持廣義相對論而非牛頓引力定律。
不治之癥在與愛因斯坦分享成果的同一天，史瓦西從俄國給自己的妻子寫了一封信，抱怨身體內(nèi)不尋常的感覺。沒過多久，疾病就蔓延到了他的全身。
在戰(zhàn)區(qū)醫(yī)院，軍醫(yī)診斷他患上了一種罕見的不能治愈的皮膚病——尋常天皰瘡，身體會無法分別出自身細胞從而使免疫系統(tǒng)強烈攻擊皮膚。水泡開始只是在他臉上起了兩個，便很快布滿了全身。 醫(yī)生認為可能是戰(zhàn)場上的毒氣襲擊造成了他的患病，史瓦西在日記中這樣描述那些襲擊： “月亮很快就劃過了天空，好像加速了一樣。士兵們都整理好了裝備，只等著進攻的口令，但是這場景卻奇怪又令人不安，好像不祥之兆，我可以看出他們眼中的恐懼?！?/p> 由于疾病，史瓦西于1916年3月從前線回到了哥廷根。兩個月后他不堪病痛的折磨去世，享年42歲，葬于哥廷根的家族墓地中。 人們用史瓦西的名字命名了一顆小行星837 Schwarzschilda，它繞太陽公轉(zhuǎn)周期是3.48年，距離太陽2.21-2.39 AU（天文單位）。它由德國天文學(xué)家馬克思·沃夫在史瓦西去世的幾個月后在海德堡的一個天文臺首次發(fā)現(xiàn)。 德國天文學(xué)會以他的名字設(shè)立了一個獎項，卡爾·史瓦西獎?wù)?，以表彰杰出的天文學(xué)家和天體物理學(xué)家。獎?wù)碌氖孜猾@得者是史瓦西的兒子馬丁·史瓦西（Martin Schwarzschild）。 在他的葬禮上，愛因斯坦向人們朗讀了悼文，為他致敬：
作者：Areeba Merriam 翻譯：zhenni 審校：藏癡 |
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