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我们是中科院主管、科学出版社主办，与日本知名科普杂志Newton版权合作的一本综合性科普月刊。 【如需转载，请在后台留下您的公众号，获得授权后方可转载】  他是神童，未满16岁就发表了两篇关于双星轨道的论文。 他是天才，给出了EFE的第一个精确解，令爱因斯坦大为震惊。 他是科学界巨星，却不幸在战场上罹患疾病，壮志未酬身先死。 他，就是卡尔·史瓦西，光辉而又短暂的一生，被许多人铭记。 ↓ ↓ ↓ 1915年，爱因斯坦提出了著名的“爱因斯坦场方程”（Einstein field equations，EFE，也叫“爱因斯坦方程”），描述了物质和能量所导致的时空弯曲。他认为，这个方程只有近似解。可是他万万没想到，居然就有人能给出精确解！ 这个人，就是卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）。  成长 与爱因斯坦很像，史瓦西也出生在德国的一个犹太人家庭中。小时候，热衷科学探索的史瓦西就攒钱装配了一架望远镜。有位大学教授是他父亲的好朋友，这让小史瓦西受益匪浅：一是教授有个宝贝般的私人天文台，让他学会了驾驭望远镜；二是教授有个宝贝儿子，让他收获了兄弟般的友情和先进的数学思想（那位同伴即是保罗·爱泼斯坦，后来成为了一名数学家）。 很快，神童开始放光芒了。1890年，《天文学通报》杂志发表了史瓦西的两篇关于双星轨道的论文。当时，他还没满16岁！ 次年，史瓦西进入斯特拉斯堡大学。后来，他又转学到慕尼黑大学，23岁那年，他拿到了博士学位。 之后，史瓦西被任命为一家天文台的助理。三年后，他回到慕尼黑大学，被任命为“Privatdozent”。这是当时欧洲（特别是德语国家）大学里的一种职称，有这种职称的教员可以像教授一样独立授课，并有资格被评定为全职教授。随后，他来到哥廷根大学，担任“非凡教授”（低于教授的一种职称）和天文台台长。不到一年，即晋升为教授。  ↑↑ 史瓦西（左）和Ejnar Hertzsprung在哥廷根天文台。 在这个“世界数学的中心”，他与克莱因（几何学家，只有一个面的“克莱因瓶”即以他的名字命名）、希尔伯特（欧几里得之后最伟大的几何学家，“希尔伯特的23个问题”至今仍是数学家研究的对象）、闵可夫斯基（数学家，发展了时空观念，并为相对论奠定了数学基础）等数学巨擘成为同事。后来，著名物理学家爱丁顿在描述这段时间的史瓦西时说：“对一个在数学和物理的所有分支上都有着广泛兴趣的人来说，这种氛围肯定是非常对脾气的……”。 在这么好的环境中，史瓦西的天才开始爆发了。很快，他就发表了关于电动力学和几何光学的论文，并在天文台主持了一项大规模的恒星调查，研究恒星如何通过辐射的方式进行能量转移，发表了一篇关于太阳大气辐射平衡问题的重要论文。 之后，史瓦西去波茨坦就任天体物理观测站站长。它是德国天文学界最受尊敬也最被期待的职位，而史瓦西完全胜任。1910年，哈雷彗星造访地球，他进行了深入的研究。在这前后，他又在光谱学领域做出了重要贡献。 40岁那年，史瓦西被选为德国科学院院士。 锋芒 就在史瓦西开始爆发学术光芒的时候，时局却发生了重大的变化。 1914年7月28日，奥匈帝国向塞尔维亚宣战，第一次世界大战爆发。 两天后的7月30日，俄国宣布针对德国进行全国总动员。8月1日，德国向俄国宣战，2日进攻卢森堡，3日向法国宣战，4日向比利时宣战。同日，英国向德国宣战…… 在乱七八糟的时局万花筒中，德国始终位于混乱旋涡的正中心。而参军入伍，自然成为了当时德国青壮年最流行的爱国举动。 就在战争爆发的当月，史瓦西以差2个月就满41岁的“高龄”，毅然投笔从戎了。 放在今天我们很难想象，在科技相对落后的20世纪初，一位物理学院士入伍后，最适宜他的军事岗位究竟是什么。不过，史瓦西大概也不在乎。很快，他被派到比利时，担任一个气象站的站长。不管怎么说，和天文差不多，也算是个抬头看天的岗位吧。 之后，他被调到法国，到炮兵部队去计算弹道。没过多久，他又被派到东线战场，从此踏上了俄国大地。 广袤而寒冷的俄罗斯堪称德军的地狱，在先后的两次世界大战中，都葬送了数以万计的德军士兵。 可是谁能想到呢？那位1905年的哥廷根科学会会士、1909年的英国皇家天文学会会士、1913年的德国科学院院士，以及1915年新授的炮兵中尉史瓦西，正是在这个雪白血红的地狱里，绽放出了最耀眼的物理学光芒！ 到了俄国没多久，史瓦西就完成了一篇关于普朗克量子理论的论文，里面论证了“斯塔克效应”（在电场中氢的谱线会分离，且分离程度正比于电场强度的现象）是可以从量子论的公设中证明的。  真是无巧不成书，几乎与此同时，在千里之外的慕尼黑，另有一位数学家也独立地证明了这一点。那不是别人，正是保罗·爱泼斯坦，也就是史瓦西当年的那位科学小伙伴！ 1915年11月25日，爱因斯坦发表了EFE。当他得知“EFE可能有精确解”的时候是非常惊喜的，因为他沿用的是传统的直角坐标系，对一个对称的、不自旋、不带电荷的有质量球体进行计算，只能给出一个近似解。 而史瓦西另辟蹊径，引入的坐标系类似于极坐标系，方程由此变得非常“优雅”，更重要的是有可能求出精确解了。仅仅20多天后的1915年12月22日，在天寒地冻的俄国前线，史瓦西将论文寄给了爱因斯坦。信中，他这样写道： “如您所见，除了（干扰思路的）重机枪枪声，战争已经很善待我了，它允许我摆脱周遭这一切，而在您的思维领地上进行这样一场漫步。”  ↑↑ 图为1915年12月22日史瓦西在俄国战场上写就的论文《关于爱因斯坦理论里引力场中的点质量》的印刷版复印件首页。这篇8页的论文令爱因斯坦大为震惊，随后于1916年1月13日公开发表。 爱因斯坦的回信很快就来了。 “我抱着最大的兴趣阅读了您的论文。我没有想到，能有人以这样简洁的形式求出精确解。我非常喜欢您对那些对象的数学处理手法。” EFE的这个精确解，从此被命名为“史瓦西度规”（Schwarzchild's metric），它也正是EFE的第一个精确解。 随后，史瓦西发出了第二篇论文，其中给出了“内史瓦西解”（inner Schwarzchild solution），以及计算黑洞视界半径（史瓦西半径）的公式。 简而言之，史瓦西设定了这样一个天体，它的电荷量为零（电中性），角动量为零（不自转），宇宙常数也为零。这本可以用于描述地球和太阳之类自转缓慢的天体，但如果它的质量增大到足够大后，它的逃逸速度（物体脱离该天体的最小速度）将超过光速。这就意味着没有任何东西能够逃出它的魔掌，因此它本身也无法被看见，也就是我们说的“黑洞”。 所以，这个漂亮的解必然会带出“黑洞”的概念。对此，注重实践和观测的史瓦西无论如何也不愿接受。他认为，这个数学上的解根本就没有对应的物理意义，他不相信黑洞是真实存在的。 历史一再证明，像黑洞这样的全新理论概念，科学界、科学家确实都需要一些时间去消化和理解。 可惜，造物主并没有给这个创新观念的发明者本人——史瓦西——以足够的时间，去仔细理解他所揭示的到底是什么。 陨落 其实，炮兵中尉史瓦西在战壕里闷头写论文的时候，他的敌人并不只是严寒的天气和冷酷的俄军，还有一个，就是令人束手无策的疾病——天疱疮（pemphigus）。 这是一种恼人的自体免疫疾病。人体内的免疫系统本该用来对付外来的病原体，但在某些情况下，免疫系统可能会对自身机体发动免疫攻击。这类疾病到今天也非常棘手，更不用说在100年前的战场上了。史瓦西为什么会得上天疱疮？没人知道。 他的病情很快严重起来，1916年3月被送回家，2个月后就去世了。 此时，距他将论文寄给爱因斯坦还不到半年！ 就像一场怎么也醒不来的梦一样，这颗科学界的陨星，在瞬间的灿烂后，就永远地消失在了茫茫的夜空。 好在，他的祖国并没有遗忘他。1960年，德国科学院在陶腾堡地区建立的天文台，就以他的名字命名。献词中说，史瓦西是“近百年来最伟大的德国天文学家”。1992年，重建的天文台被再次命名为“图林根州卡尔·史瓦西天文台（陶腾堡）”。 1959年，为了纪念他，德国天文学会专门设立了卡尔·史瓦西奖章。 首位获此殊荣的，是一位专注于恒星结构与恒星演化的美国天文学教授。这位教授其实是德裔美籍，他的名字叫马丁·史瓦西。是的，你没猜错，他正是卡尔·史瓦西的儿子。  ↑↑ 马丁·史瓦西 时光倒流100年，在1913年，史瓦西被选为德国科学院院士时，做了这样的发言： “数学、物理学、化学、天文学，都是同向前行的，无所谓谁落在后面，也无所谓谁在前头并施以援手。而天文学，与这个精确科学组成的圈子，有着最紧密的关联……数学、物理学、天文学构成了一个‘知识’，它就像‘希腊文化’一样，只能作为一个完美的整体而被理解。” 也许，这就是史瓦西心目中的科学吧。 |
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