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從此有了黑洞。史瓦西誕辰|科學史上的今天:10/9

1914年8月,德國全面投入第一次世界大戰。搬回德國才三個多月的愛因斯坦大力批判祖國的窮兵黷武,並對科學同僚在愛國情操下的積極投入不以為然。物理學家史瓦西正是其中之一;而且已41歲的他竟放棄天文台台長一職,志願上前線作戰。史瓦西與愛因斯坦素昧平生,兩人政治理念不同,又在人生道路上擦身而過,理應再無交集。沒想到,兩顆追求宇宙真理的心靈還是在科學星空中短暫交會,綻放出永恆的光芒。

史瓦西。圖片來源:wikipedia

愛因斯坦於1915年11月25日在普魯士科學院發表廣義相對論,顛覆牛頓以來的時空概念。其中的重力場方程式簡潔優雅,但因涉及曲面幾何而複雜難解,就連愛因斯坦本人都耗費心力才求出一個近似解,用以在論文最後預測水星軌道的偏差角度。

投身戰場的史瓦西仍持續關心科學最新進展,原本就是普魯士科學院院士的他沒隔多久就收到這篇論文。此時的俄國戰線正是寒冬,漫天烽火中,史瓦西用凍僵的雙手拿著紙筆計算砲彈彈道,得空時便思考這個革命性的理論,不時算算重力場方程式。在如此嚴酷的環境中,史瓦西只能先假設天體是不旋轉、不帶電荷之完美球體,思考它的重力對周遭時空的影響。

12月22日,他寫信告訴愛因斯坦自己如何改用極座標求得一個精確解。愛因斯坦隔年元月收到信,既驚又喜這麼快就有人求出重力場方程式的精確解,他回信給史瓦西,表示極為欣賞他的解法,並將在下週代他在普魯士科學院發表。史瓦西隨即再回信給愛因斯坦,信中計算出一個天體如果小於它的臨界半徑(r=2Gm/c2,以太陽來說,約是三公里),就會因為自身重力而塌縮成一個奇異點;在臨界半徑內的所有物質,包括光,都無法逃逸出去。如今我們把這臨界半徑稱為「史瓦西半徑」,而這奇異點直到1967年,才由美國物理學家惠勒(John A. Wheeler)取名為如今我們所熟悉的「黑洞」。

是的,黑洞這個概念在當時仍聞所未聞,連愛因斯坦自己都難以置信;而同樣令人匪夷所思的是,率先提出之人竟是身處天寒地凍、危機四伏的殺戮戰場中,還因自體免疫的罕見疾病而皮膚逐漸潰爛的史瓦西。他在給愛因斯坦的第一封信中最後寫道:「你瞧,這場戰爭對我算是仁慈的。槍林彈雨中,我的思緒仍有個去處,可以漫步於你的理論園地中。」是怎樣的心靈,才能命在旦夕中還可以平靜地思考科學?

1916年5月11日,他終因病情惡化而死於前線,年僅42歲。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。