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人类知道黑洞的历史:爱因斯坦最纠结

发表时间:2019-04-13 12:57

北京时刻4月10日,国际标准时刻星期三下午1点(北京时刻星期三晚上9点),我国、美国、比利时、丹麦、智利、日本和我国台湾地区科学家将同时举行新闻发布会,以展示期待已久的事情视界望远镜的调查成果。人们希望事情视界望远镜能为黑洞拍下第一张相片。



事情视界望远镜是由分布在四大洲的10个射电望远镜组成的一个巨大网络,它们协同运行,作为一台仪器对位于银河系中心的一个黑洞进行调查。科学家声称,事情视界望远镜对深空天体的调查能力,相当于在纽约能数清洛杉矶的一个高尔夫球外表的凹痕。

为黑洞拍照将意味着天体物理学的一次重大突破,标志着一个世纪以来人类对黑洞理论的研讨和观测工作到达一个高潮。甚至在一、两代人之前,科学家也不完全确定黑洞的存在,因为虽然从数学上说它似乎是存在的,但人类从未直接观测到过它。

很少有人比协助建立黑洞存在的这个人更讨厌黑洞:他就是阿尔伯特?爱因斯坦。他在1915年宣布的广义相对论,论述了物质是怎么引起空间和时刻(时空)曲折的——就像把一个保龄球放在绷簧垫上、绷簧垫外表会向下凹陷那样。引力是世界几何形状变形发生的效应。物理学家这样表述广义相对论:“物质引起时刻和空间曲折,空间和时刻引起物质运动。”



就在爱因斯坦广义相对论方程宣布数个月后,德国科学家卡尔?施瓦兹希尔德(Karl Schwarzschild)修订了爱因斯坦的方程,并得出了一个令人不安的结论。他发现,假如一个物体密度足够大,它最终将在时空中构成一个被称作奇点的“无底洞”。

到1960年代,奇点被称作黑洞,是非常强壮的引力圈套,任何物体一旦进入,就再也无法返回了。黑洞的引力场非常强壮,即使是光也不能逃离事情视界(是一种时空曲隔界限,能够理解为是黑洞的鸿沟)。

爱因斯坦以为奇点的概念很荒谬,专门进行研讨来驳斥这一概念。但跟着时刻推移,越来越多的研讨人员发现了更多头绪:施瓦兹希尔德古怪的想法或许是符合实际的。



专门研讨恒星演化的天体物理学家苏布拉马尼扬?钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)解说说,一些恒星在“寿命完毕”后会崩塌。之后,物理学家罗伯特?奥本海默(J. Robert Oppenheimer)和哈特兰?斯奈德(Hartland Snyder)论述了恒星崩塌的继续进程,最后会构成施瓦兹希尔德所说的奇点。

但是,由崩塌的恒星构成的恒星质量黑洞并不是世界中唯一的黑洞类型。

在1960年代和1970年代,科学家们提出,他们称之为类星体的一些奥秘的亮堂天体,实际上或许是由过热旋流物质组成的云,它们分布在质量是太阳数十万倍的黑洞周围。跟着这些超大质量黑洞吸收气体和星尘,依据黑洞理论,事情视界之外的物质运动会加速,其中一部分被抛回到星系中。除这些超热气体流外,这一进程还会辐射X射线和无线电波。一切这些活动都使黑洞成为世界中最亮堂的天体,掩盖了它们中心区域的黑暗。



1974年,位于美国西弗吉尼亚州的格林班克射电望远镜的研讨人员,捕获了来自银河系中心强壮的无线电信号。这是人马座A *黑洞存在的第一个观测证据。整个银河系都围绕这一黑洞旋转。

目前,天体物理学家以为,一切大星系的中心都“潜伏”着超大质量黑洞。有关这一理论的一个最大的未解之谜是“先有鸡仍是先有蛋”:先有黑洞仍是先有星系?

黑洞并不是人类应该忧虑的诸多天体之一。它们不会乘机吞噬美丽的行星,更不是世界真空吸尘器。不过,我仍是不想跨过事情视界,那样我就完了。

麻省理工学院退休物理学教授雷纳?韦斯(Rainer Weiss)因探测黑洞磕碰发生的引力波而获得诺贝尔奖,他解说说:“最终,黑洞会撕裂人体;再往黑洞中心运动,它会炸毁每一个分子;到更挨近黑洞中心的区域,它会炸毁一切的原子核。”

最终“人体”会到达奇点。依据物理方程的描绘,奇点的时空曲率变得无限大,一切已知的物理规律都不再适用。

韦斯说,“当时,没有人知道该怎么解说奇点。”他指出,要理解奇点,“人们需要把握量子引力理论,而咱们尚未建立起成熟的量子引力理论”。



科普作家经常将黑洞描绘为怪异的天体,但实际上它们并不怪。事实上,进入黑洞的物质都被掠夺了除质量、电荷和旋转之外的一切特性。跟着挨近黑洞中心的“奇点”,质子、中子、电子、大金属原子,进入的一切物质都变得没有什么不同。

物理学家约翰?惠勒(John Wheeler)声称黑洞“没有头发”,这里指的是黑洞没有发型,没有任何个性化和引人注目的特性。物理学家布莱恩?格林(Brian Greene)在他的《高雅的世界》一书中指出,黑洞的这一特性使它与亚原子粒子难以想象地类似,这催生了“奇怪的猜测,即黑洞或许是巨大的基本粒子”。

至于什么是奇点,没有人真正知道。咱们或许无法用空间坐标来描绘它,而且奇点也不存在时刻。从某种意义上说,奇点什么也没有,没有任何活动发生。

纽约Flatiron研讨所计算天体物理中心的天体物理学家奇亚拉?曼加莱利(Chiara Mingarelli)表示,“什么是黑洞?这是当下科学界的重大未解之谜之一。什么是奇点?在数学上咱们把它界说为时空的无限曲率。但这不或许是真的。”

她的意思是,数学或许与奇点的实际情况不符,“从数学上说,这是咱们能给出的最好的解说,但假如咱们能看到黑洞的中心——奇点,它或许会是某种物质”。

著名的LIGO实验,已成功地捕获黑洞融合的信号。在第一次探测到引力波时,估量两个黑洞的质量各约相当于30个太阳。当它们融合时,大约相当于三个太阳质量的能量以引力波的方式辐射到整个世界中。

事情地平线望远镜调查了两个超大质量黑洞:人马座A *和M87。M87是室女座星系团中一个巨大的椭圆星系。虽然银河系的中心黑洞质量相当于430万个太阳,但M87中的黑洞的质量或许相当于高达60亿个太阳。M87以喷射在星际空间中绵延大约5000光年的粒子流而出名。

因而,星期三科学家或许发布银河系或M87,或同时发布两者中的超大质量黑洞相片。相片或许显现黑洞的轮廓或暗影。

天体物理学家希望黑洞相片能供给有关爱因斯坦广义相对论的信息。相片能够显现黑洞怎么扭曲它周围的空间,其中包括引力透镜效应。

耶鲁大学天体物理学家普里亚姆瓦达?那塔拉印(Priyamvada Natarajan)说:“形象地说明引力透镜效应,就是人能够看到头后边的物体。咱们建立了有关黑洞,特别是事情视界的模型和理论,并进行了一些模拟,以对黑洞进行调查,拍下黑洞相片将是令人难以置信的,这是对咱们科学研讨的一种证明。”