史海钩沉
在1783年预言黑洞的牧师
英国牧师John Michell在1783年预言了黑洞的存在，展示了惊人的科学洞察力。
在科学家普遍接受黑洞存在之前近200年，英国牧师John Michell就已经提出了关于这些奇异天体的惊人见解。为什么他的工作没有被更好地认可？
黑洞的存在令人费解，特别是考虑到它们可能在宇宙中遍布数十亿个。20世纪数十年间，著名物理学家们拒绝相信它们是真实存在的，忽略了数学预测。这些怀疑者甚至包括Albert Einstein，他的广义相对论使黑洞成为可能(参见“为什么Einstein和他的同事对黑洞‘非理性地抗拒’”)。
然而，有一个人在很久以前就对黑洞表现出惊人的先见之明——而且是在Einstein出生之前。仅使用牛顿定律，这位鲜为人知的英国牧师John Michell在18世纪就以重要且令人惊讶的方式预见了这些天体的存在。Michell是谁，他预言了什么，他的想法为何大多被遗忘？
Michell于1724年出生在英国Eakring村，他的父亲是该村的牧师Gilbert Michell，母亲是Obedience Gerrard。Michell在家中接受教育，与他的弟弟妹妹一起成长。历史学家Russell McCormmach称，Michell的父亲Gilbert喜欢引用一位家庭朋友的话，称John是他遇见过的“最清晰头脑的人”。Gilbert重视独立思考，自称“未依附于世上的任何人或教派”。家庭信奉理性至上的宽容基督教，这一传统源自Isaac Newton所在的剑桥大学。因此，当John进入大学时，他选择了剑桥。
剑桥大学有众多咖啡馆，400名学生形成了一个紧密的社区，成为了理想的知识交流场所。Michell在那里待了20多年，担任各种职位，研究和教授希伯来语、希腊语、算术、神学和地质学等学科。他是一名坚定的实验主义者，正如传记作者Archibald Geikie所说，“喜欢自己构建设备……他的Queens'学院房间里充满了工具和机器，有时看起来像个作坊”。在剑桥期间，他展现了对科学的前瞻能力。
1750年，他发表了一篇关于磁学的论文，提出了至少一条全新的定律——“反平方定律”，推进了磁铁在航海中的应用。1760年，他发表了一篇关于地震力学的论文，描述了地球的分层结构(即地壳)，并展示了地震如何以波的形式穿过这些层。他还展示了一种估算1755年里斯本大地震震中的方法，并探讨了海底地震可能引发海啸的观点。
离开剑桥后，他于1764年与Sarah Williamson结婚，并搬到约克郡的Thornhill，继承父亲的教区牧师职位。Sarah次年去世，Michell于1773年再婚，妻子为Ann Brecknock。除了教会工作，他还与当时的许多自然哲学家和知识分子保持通信，包括美国博学家Benjamin Franklin。
从21世纪的角度来看，基督教教会的雇员在科学生活的核心位置可能令人惊讶。但像大多数18世纪的知识分子一样，Michell不会区分宗教和科学。17世纪初望远镜的引入在欧洲引发了巨大哲学动荡。固定的、可观察的上帝创造的等级——地球和天空——被一个必须通过观察其基本组成部分和规律来理解的“无限甚至无穷的宇宙”所取代。但对于像Michell这样的思想家来说，这场革命并没有取代上帝，它只是重新揭示了上帝的奥秘：自然规律仍然是上帝的规律。
Newton在1704年写道，“我们的责任无论是对上帝还是对彼此，都将通过自然之光显现出来。”Michell遵循这种牛顿式基督教。正如McCormmach所说，“他的宗教真理与自然真理是一致的”。因此，除了教区职责，Michell逐渐将注意力集中在宇宙学，尤其是重力的本质上。这是他在自己去世多年后仍会产生革命性和预见性工作的领域。
Michell自己建造了一个3米(10英尺)的反射望远镜，1767年，他首次将新的统计学方法应用于可见恒星的研究，证明像昴星团这样的星团不能通过随机分布来解释，必须是引力吸引的结果。
1783年，Michell的朋友Henry Cavendish给他写信提到Michell在建造一个更大的望远镜时遇到了一些困难。“如果你的健康不允许你继续这项工作，”他写道，“我希望至少能允许你进行测量世界的更简单、更不费力的工作。”这听起来像个笑话，可能是为了幽默，但Cavendish指的是一个真实的研究。
Michell一直在研究一个扭秤装置，这个装置可以通过测量铅块之间的引力来估算地球的密度。Michell在能使用该装置之前去世了，但在他去世后，Cavendish接手了实验并于1797年进行了实验。他计算出的地球密度与现在接受的值相差不到1%。Cavendish结果的精确性直到1895年才被超越，今天仍然使用Michell装置的变体来测量引力常数——在整个宇宙中起作用的引力强度。
对黑洞的预见
与Cavendish的信件同年，Michell发表了一篇包含假设的论文，虽然其科学持久性较低，但在其洞察力上可能是他最辉煌的。利用牛顿的原理，他首先解释了如何通过观察恒星的引力对其他附近天体(例如其他恒星或彗星的轨道)的影响来确定恒星的密度。然后，Michell继续讨论了光的行为如何用于类似的目的：
“现在让我们假设光的粒子像我们所熟悉的所有其他物体一样被吸引……这没有合理的怀疑，引力是我们所知的或有理由相信的普遍自然规律。”
光会从这样的恒星逃逸，但正如Michell解释的那样，“会被其自身的重力吸引回来”。
Isaac Newton在大约80年前提出了光的粒子理论，虽然没有人能够证明它，但在Michell的时代，它仍然是占主导地位的观点。Michell解释了光在重力下的行为如何提供一种计算恒星密度的方法，至少在理论上是如此，特别是如果一颗恒星“足够大，以显著影响其发出的光的速度”。虽然当前的理解是他关于重力对光速影响的观点是错误的(它不会减慢)，但他的推理是正确的。
根据相同的原理，Michell正确地推断出，最巨大的天体的引力可能完全压倒其自身的光线。要实现这一点，恒星需要与太阳密度相同，但体积大约是太阳的500倍。光最初会从这样的恒星逃逸，可能到达附近的轨道行星，但正如Michell解释的那样，“会被其自身的重力吸引回来”。
由于这样的恒星的光不能到达我们，我们“不能从视线中得到任何信息”，但我们可能仍然能够从其他附近天体的轨道不规则中检测到它们，这些不规则由不可见恒星的引力引起，“用任何其他假设都不容易解释”。
这些推测，Michell解释说，“有些超出了我目前的目的”，但它们包含了在牛顿物理学下可能接近黑洞概念的最接近的描述，更不用说一种识别它们的工作方法了。几颗黑洞已经通过邻近恒星的轨道被检测到，正如Michell所建议的那样。只有在最近几年，望远镜图像才确认了间接证据。
黑洞与科学家的对抗
为什么Einstein和其他著名物理学家长时间拒绝黑洞的可能性？在BBC.com的一篇特别插图报道中，探讨了这些奇怪且崇高的宇宙实体为何如此难以被接受。
根据McCormmach的说法，在当时的科学家中，不可见恒星的存在是相对常见的想法。Michell发表论文的同一年，几位天文学家在通信中讨论了恒星的消亡。1805年，天文学家Edward Pigott发表论文，提出了恒星“从未显示过一丝光芒”的可能性。虽然它们的真实数量无法知晓，但他问道，“假设它们的数量与那些发光的恒星相等，是否太过大胆或幻想？”在法国，多才多艺的Pierre-Simon Laplace在18世纪90年代末独立于Michell推广了暗星的概念。
然而，不久之后，新的实验增强了光是由波组成的想法，而不是有质量的粒子，光可以被引力变形或困住的建议开始失去支持。Michell的天文学研究陷入了沉寂，直到20世纪下半叶才重新被发现。
在1994年出版的《黑洞与时间的扭曲》中，物理学家Kip Thorne描述了Michell及其同时代人热情拥抱引力不可见恒星的想法与20世纪科学家普遍且几乎普遍对黑洞的抗拒之间的“显著对比”。他得出的结论是，关键的区别在于，虽然Michell的暗星很奇特，但“它们对自然界的任何珍视信念都没有威胁”，也没有挑战“物质的持久性和稳定性”。然而，现代黑洞正是这样：“时空的一个穿刺，一个无限的井，什么也无法逃脱。”尽管如此，McCormach推测，Michell“承认‘在创造物中的无限多样性’，不会对我们的黑洞有任何问题。”这一观点无法验证，但考虑到Michell非凡的科学想象力以及他对牛顿理性传统的承诺，这似乎是一个吸引人的观点。
Michell于1793年4月21日去世，享年68岁，并一直担任Thornhill的教区牧师直到最后。他的同时代知识分子在当时和现在都更为人所知。他们更频繁地发表文章，且题材更受欢迎。相比之下，Michell追随自己的兴趣。正如McCormmach所说，“他在任何感兴趣的领域中研究科学问题，并根据自己的兴趣追求到自己满意为止；只有当他完全满意时，他才发表他的工作。”这在某种程度上解释了他去世后的默默无闻——他为了知识自由而牺牲了影响力和声誉。
正如亚历山大天文学家伊本·海赛姆在牛顿之前700年所观察到的那样，“追求真理的人”不是信赖权威的人，“而是怀疑对它们的信仰的人……是屈从于论证和证明的人。”追随这一传统，Michell和他的父亲一样，是一个自学成才的人，通过保持不依附于任何“团体或教派”来保护他的科学诚信。
Michell的独立性赋予了他原创思想的另一种自由：想象力。据McCormmach所言，他选择天文学的原因是因为它为理论提供了新的视野。Michell对科学想象力的热情预示了当今理论物理学家的创造力。正如Einstein在1929年所说，“想象力环绕着世界。”