今天他逝世100周年，后人用他的名字命名了黑洞视界

今天，卡尔·史瓦西逝世100周年。...

广义相对论是人类最高智慧的成就之一。狄拉克视其为“可能是有史以来最伟大的科学发现。”爱因斯坦的广义相对论的理论是套复杂的非线性偏微分方程组，除了平直时空之外，很难精确求解。然而，爱因斯坦发表文章两个月后，卡尔·史瓦西，这位德国的天体物理学家，就给出了一个非常简单的精确解。可惜的是，当时在军队供职的史瓦西不久之后就死于一种自身免疫性疾病。如今，随着引力波的发现和黑洞研究的进展，广义相对论的研究似乎又即将迎来第二次黄金年代。今年5月11日，是大天文学家史瓦西逝世100周年纪念日。本文整理了史瓦西的简明传记，并简单介绍了史瓦西对广义相对论的贡献。

卡尔·史瓦西出生在一个犹太家庭中，他的父亲是法兰克福的商界精英。他从母亲那里继承了快乐、外向的性格，从父亲那里继承了努力工作的习惯。卡尔是家里六个孩子的老大：他有四个弟弟和一个妹妹。他们家庭有浓厚的艺术气氛，然而他却在自然科学处得到了更多的兴趣与欢乐。史瓦西在小学时候就对天文学产生了浓厚的兴趣。他的父亲有一位朋友——拥有自己私人天文台的爱泼斯坦教授。爱泼斯坦教授的儿子保罗比卡尔大两岁，这两个男孩也成为了好朋友。他们都对数学和天文学感兴趣，保罗教了卡尔怎样用望远镜，爱泼斯坦教授也辅导了两位少年微积分。

在这段伟大的友谊的帮助下，史瓦西年仅16岁时候，就发表了他的第一个篇关于双恒星的轨道理论的论文。这位少年天体力学研究者的文章发表在1890年柏林天文协会的期刊中。

史瓦西在斯特拉斯堡大学学习两年期间，他学会了大量的实用的天文学知识，随后他在慕尼黑大学获得博士学位。在天文学家泽利格的指导下，他在毕业论文中讨论了旋转体的潮汐形变。泽利格的启发式教学影响了史瓦西一生。

取得博士学位后，史瓦西被任命为位于维也纳的郊区的奥塔克灵天文台的助理。他一干就是三年。在天文台，他的主要工作是使用摄影方法来测量恒星的视亮度。这是一项漫长而精细的研究，需要完美的细节。在1899年他回到慕尼黑大学之后，这段工作经历的收获使他做出了一些很重要的发现。他使用摄影术，对变星表面温度的周期变化做出了较大贡献。

1900年，德国海德堡天文学会会议上，史瓦西对非欧几里得空间进行了讨论。同年,他发表了一篇关于空间的曲率半径的下限为2500光年的论文。另一方面，他对太阳的辐射压力与彗尾的反射光线的关系进行了研究。他知道辐射压力不得不克服引力作用，而且他也知道彗尾的粒子不对光线有散射作用。这使得他推断出，粒子的直径必须在0.07和1.5微米之间。

从1901年到1909年，他在哥廷根工作。在哥廷根，他结识了希尔伯特和闵可夫斯基。在不到一年的时间里他就晋升为教授。艾丁顿写道：（史瓦西）是一个对几乎所有数学和物理分支感兴趣的男人。

史瓦西在哥廷根发表了电动力学和几何光学方面的著作，他尝试使用微扰方程式以调查几何光行差。他在哥廷根天文台完成了一项关于恒星大小的大型研究。1906年，他研究了能量输运与太阳的大气辐射平衡的关系。婚后，史瓦西离开哥廷根，在波茨坦天体物理天文台担任主任。他这个职位上同取得了巨大的成功。他对1910年的哈雷彗星照片的研究，在欧洲范围内掀起了一波光谱研究热。史瓦西在1913年入选柏林学院。他对科学的态度可谓痴迷而崇敬，在数学、物理、化学、 天文学他都有所建树。这位二十世纪的天文学家，却有一种古希腊贤者的精神与境界。

1914年8月，第一次世界大战爆发了。史瓦西自愿参加军务。他被分配到一个炮兵部队负责计算导弹轨迹。后来又分配到沙俄前线。

而在前线他写了两篇论文，分别关于爱因斯坦的相对论和普朗克的量子理论。量子理论论文解释说，斯塔克效应，即氢的谱线的分裂的数量与磁场强度成正比，这可以从量子理论的基本假设来证明。

史瓦西的相对论论文则给第出了爱因斯坦的广义相对论方程的第一个精确解。爱因斯坦赞叹道：“我没料到有人会在这么短时间内给出这样的精确解。”这篇论文实际上给出了一个未来震撼世界的研究领域——黑洞。

那么，这个黑洞是怎么样的呢？我们不妨学习一些相对论的知识。如图所示是闵可夫斯基空间的彭罗斯图。闵可夫斯基空间是爱因斯坦的数学老师闵可夫斯基为了从更几何的角度来解释狭义相对论而建立的一种与欧几里得几何不同的几何。这张图可看做是图例，我们可根据本图来看懂下面的两张图。

首先我们应当知道，黑洞本身并不是一个洞。它和其他星体一样，都是具有质量甚至电荷的天体。但是黑洞是一种密度极高的天体，这就导致了它的许多不同的性质。史瓦西给出了最初始的黑洞，我们不妨从爱因斯坦场方程说起，回顾一下史瓦西是如何给出解的。

爱因斯坦场方程可写成下面的形式：这个式子看起来不是那么好理解，需要较多数学知识。但是我们用大物理学家惠勒的话来理解：

“

物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。

史瓦西给出的解是这样的，他假设质量在平直时空中高度集中：当你穿越视界的时候，你会得到一个令人惊讶的结果——坐标时间和坐标长度互换了！也就是当时候，公式整理为：这意味着，当你在黑洞内部观察其他物体的运动时，对于你来说，你将体会到一种大脑无法想象的“王车易位”的现象。如图所示便是史瓦西黑洞的彭罗斯图。



如果引入克鲁斯卡尔坐标系，则这就更好理解了。我们可以清楚地看到时空的扭曲和黑洞的视界与奇点。

然而，遗憾的是，史瓦西本人明确表示，他不相信黑洞的物理现实。科学史上往往是这样，做出革命性成果的革命者，最后却站在了保守的一边。

在战场上，史瓦西不幸得了一种罕见的皮肤疾病。在被遣送回家两个月后，史瓦西不幸去世。他的英年早逝是天文和物理界的巨大损失。艾丁顿为纪念史瓦西而写道：“他对科学的贡献之广泛堪比庞加莱；但史瓦西的工作在短期内更有使用价值……他的所有快乐来自不受限制的研究领域，他就像一个游击队长，攻击科学中最意想不到的地方。”

史瓦西享年42岁。他在有生之年并未享有与贡献相称的名誉。1960年的德国科学院以他的名字命名了一所观测站。在那里的纪念碑上，他被评价为：上个世纪最伟大的德国天文学家。微信号：astronomycn

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