科學人／比愛因斯坦早逾百年！提出黑洞概念的第一人是他

愛因斯坦於1915年發表廣義相對論後，過沒多久史瓦西就從重力方程式中推導出一個特殊解，顯示當一個物體小於它的臨界半徑，就會因為自身重力而塌縮成一個奇異點，而在臨界半徑內（後來便稱為史瓦西半徑）的所有物質、包括光，在強大重力下都無法逃逸出去。這是一般認為黑洞概念的起點，但早在18世紀，英國學者米契爾（John Michell）就展現驚人的洞察力，提出類似黑洞的概念。

1724年出生的米契爾畢業於英國劍橋大學，學術生涯橫跨地質學、物理學和天文學等多個領域，提出諸多開創性的見解。例如他認為地震是曾因劇變而斷裂的地層偏移所引起的，然後以波的形式在地球內部傳播。他也觀察到磁力大小和重力一樣與距離平方成反比，還提出製造人造磁鐵的方法。

1783年5月，米契爾發明一種扭力天平，可測量出鉛球之間微弱的重力，然後便可用牛頓的萬有引力定律算出萬有引力常數，再用來計算地球質量。雖然他一直未能打造出來，但死後他的好友卡文迪什根據他的設計完成這個裝置，成功估算出地球密度，與目前公認的數字相差不到1%。

在設計扭力天平的時候，米契爾思考一個關於重力的問題：能否從光速減慢來推算某些恆星的距離和質量？他認為光既然是一種微粒（要再過20年，楊氏發表雙狹縫實驗後，光的波動說才又逐漸興起），應該就有質量，那麼恆星發出的光便會受其重力影響而變慢。重力越大，光速越慢，或許便可藉此算出恆星的質量。

米契爾於1783年11月27日在英國皇家學會發表論文，提出此一構想，並主張自然界中如果存在密度不小於太陽，但直徑是太陽直徑500倍以上的天體，那麼逃逸速度（物體要擺脫其重力束縛所需的最低速度）將會大於光速，它們發出的光也就困在表面，無法看見。那麼我們怎麼知道真的有這種「暗星」存在？米契爾在同一篇論文中指出：「如果恰好有任何其他發光物體圍繞它們旋轉，我們或許仍然可以根據這些旋轉物體的運動，推斷出中心物體存在的可能性。」

雖然米契爾的立論基礎是錯的，但他預見的暗星儼然就是現在所稱的黑洞，他建議根據暗星周圍物體的運動來研判暗星的存在，也是現代天文學家發現黑洞的方法之一。2020年諾貝爾物理獎的一半頒給兩位發現銀河系中心是超大質量黑洞的天文學家，他們便是觀測很靠近銀河系中心一顆稱為S2的恆星，從運行軌跡得到關鍵證據。

不過米契爾的論文在當時並未引起回響，特別是光的波動說成為主流後，他那套逃逸速度的論述顯得毫無意義，從此淹沒在歷史洪流底下。其實史瓦西的理論也被忽視超過半世紀，直到發現中子星等緻密星體，以及一些間接天文證據，黑洞才被認真看待。如今天文學家發現黑洞並不罕見，還觀測到意想不到的黑洞奇景（請見〈史上最慢的飽嗝：黑洞吐了〉），回頭再看米契爾和史瓦西的預言，更令人佩服他們超越時代的洞見。

（本文出自2025.09.01《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）