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  • 人类认识黑洞的历史:爱因斯坦最纠结

    凤凰网科技讯 北京时间4月10日消息,国?#26102;?#20934;时间星期三下午1点(北京时间星期三晚上9点),中国、美国、比利时、丹麦、智利、日本和中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件视界望远镜的观察结果。人们期望事件视界望远?#30340;?#20026;黑洞拍下第一张照片。

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    事件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观察。科学家声称,事件视界望远镜对深空天体的观察能力,相当于在纽约能数清洛杉矶的一个高尔夫球表面的凹痕。 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究和观测工作达到一个高潮。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。

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    很少有人比帮助确立黑洞存在的这个人更讨厌黑洞:他就?#21069;?#23572;伯特?爱因斯坦。他在1915年发表的广义相?#26376;郟?#38416;述了物质是如何引起空间和时间(时空)弯曲的——就像把一个保龄球放在弹簧垫上、弹簧垫表面会向下凹陷那样。引力是宇宙几何形状变形产生的效应。物理学家这样表述广义相?#26376;郟骸?#29289;质引起时间和空间弯曲,空间和时间引起物质运动。”

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    就在爱因斯坦广义相?#26376;?#26041;程发表数个月后,德国科学家卡尔?施瓦?#35748;?#23572;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,如果一个物体密度足够大,它最终将在时空中形成一个被称作奇点的“无底洞”。

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    到1960年代,奇点被称作黑洞,是非常强大的引力陷阱,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大,即使是光也不能逃离事件视界(是一种时空曲隔界线,可以理解为是黑洞的边界)。 爱因斯坦认为奇点的?#25293;?#24456;荒谬,专门进行研究来批驳这一?#25293;睢?#20294;随着时间推移,越来越多的研究人员发?#33267;?#26356;多线索:施瓦?#35748;?#23572;德古怪的想法可能是符合实际的。

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    专门研究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?#36864;担?#19968;些恒星在“寿命结束”后会坍塌。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)阐述了恒星坍塌的?#20013;?#36807;程,最后会形成施瓦?#35748;?#23572;德所说的奇点。

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    但是,由坍塌的恒星形成的恒星质量黑洞并不是宇宙中唯一的黑洞类型。 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神秘的明亮天体,实际上可能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。随着这些超大质量黑洞吸收气体和星尘,根据黑洞理论,事件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,这一过程还会辐射X射线和无线电波。所有这些活动?#38469;?#40657;洞成为宇宙中最明亮的天体,掩盖了它们中心区域的黑暗。

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    1974年,位于美国西弗吉尼亚州的格林班克射电望远镜的研究人?#20445;?#25429;获了来自银河系中心强大的无线电信号。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,天体物理学家认为,所有大星系的中心都“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“先有鸡还是先有蛋?#20445;合?#26377;黑洞还是先有星系?

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    黑洞并不是人类应该担心的诸多天体之一。它们不会伺机吞噬美丽的行星,更不是宇宙真空吸尘器。不过,?#19968;?#26159;不想跨过事件视界,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)因探测黑洞碰撞产生的引力波而获得?#24403;?#23572;?#20445;?#20182;解?#36864;担骸?#26368;终,黑洞会撕裂人体;再往黑洞中心运动,它会摧毁每一个分子;到更靠近黑洞中心的区域,它会摧毁所有的原子核。” 最终“人体”会达到奇点。根据物理方程的描述,奇点的时空曲率变得无限大,所有已知的物?#30710;?#24459;都不再?#35270;謾? 韦斯说,“当时,没有人知道该如何解释奇点。”他指出,要理解奇点,“人们需要掌握量子引力理论,而我们尚未建立起成熟的量子引力理论”。

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    科普作家经常将黑洞描述为怪异的天体,但实际上它们并不怪。事实上,进入黑洞的物?#35782;?#34987;剥夺了除质量、电荷和旋转之外的所有特性。随着接近黑洞中心的“奇点?#20445;?#36136;子、中子、电子、大金属原子,进入的一切物?#35782;?#21464;得没有什么差别。 物理学家约翰?惠勒(John Wheeler)宣称黑洞“没有头发?#20445;?#36825;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《优雅的宇宙》一书中指出,黑洞的这一特性使它与亚原子粒子不可?#23478;?#22320;相似,这催生了“奇怪的猜测,即黑洞可能是巨大的基本粒子”。

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    至于什么是奇点,没有人真正知道。我?#24378;?#33021;无法用空间坐标来描述它,而且奇点也不存在时间。从某种意义上说,奇点什么也没有,没有任?#20301;?#21160;发生。 纽约Flatiron研究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?#31354;?#26159;当下科学界的重大未解之谜之一。什么是奇点?在数学上我?#21069;?#23427;定义为时空的无限曲?#30465;?#20294;这不可能是真的。” 她的意思是,数学可能与奇点的实?#26159;?#20917;不符,“从数学上说,这是我们能给出的最好的解释,但如果我们能看到黑洞的中心——奇点,它可能会是某种物质”。

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    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,估计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?#38382;?#36752;射到整个宇宙中。

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    事件地平线望远镜观察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中的黑洞的质量可能相当于高达60亿个太阳。M87以喷射在星际空间中绵延大约5000光年的粒子流而闻名。

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    因此,星期三科学家可能公?#23478;?#27827;系或M87,或同时公布两者中的超大质量黑洞照片。照片可能显示黑洞的轮廓或阴影。 天体物理学家期望黑洞照片能提供有关爱因斯坦广义相?#26376;?#30340;信息。照片可以显示黑洞如?#38395;?#26354;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。我们建立了有关黑洞,特别是事件视界的模型和理论,并进行了一些模拟,以对黑洞进行观察,拍下黑洞照片将是令人难以置信的,这是对我?#24378;?#23398;研究的一种证明。” 换句话说:理论是伟大的,但眼见为实。(作者/霜叶)

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