宇宙黑洞的奥秘,你了解多少?

2019-05-08 13:49:38  棋牌24小时兑换平台
本文作者:高明德

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2019-05-08 13:49:38
作者:高明德
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最近,“事件视界望远镜”(EHT)国际合作项目宣布:已成功获得超大黑洞的第一个直接视觉证据;该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,它距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。这不仅首次验证了爱因斯坦的广义相对论,也开启了直接观测黑洞的序幕。美国物理学家阿维·勒布表示,黑洞研究即将迎来一个黄金时代。

 

黑洞的研究简史

“黑洞”(black hole)一词在1968年才由美国物理学家约翰·惠勒提出来,他在1999年出版的自传《真子、黑洞和量子泡沫:物理生涯》中写道:“空间可以像一张纸那样坍缩至一个无限小的点,时间也可以像吹熄火苗那样湮灭,而那些不可侵犯的、亘古不变的物理定律,也可以荡然无存。”其实人类探索黑洞的历史已有200多年,早在1783年,英国自然哲学家约翰·米歇尔就已经意识到:一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸;这也是普通人在今天对于黑洞的最基本认识。1796年,法国科学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯在《宇宙体系论》一书中也指出了存在这种奇特天体的可能性。

1915年, 美籍犹太裔物理学家阿尔伯特·爱因斯坦发表广义相对论,最先预言了黑洞的存在;据广义相对论,黑洞具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。广义相对论有一个最核心的方程,叫爱因斯坦引力场方程,而且此方程非常复杂;爱因斯坦本人也无法找到它的精确解。次年,德国物理学家卡尔·史瓦西解出了广义相对论的第一个精确解:史瓦西解,也就是我们现在所知道的静态、球对称的史瓦西黑洞。他发现,任何具有质量的物体都存在一个临界半径(即“史瓦西半径”);当一个恒星发生塌缩,收缩至史瓦西半径后,这个恒星将在自身引力作用下最终变成黑洞。

1919年发生日食期间,英国物理学家亚瑟·爱丁顿验证了广义相对论中提到的一个重要预言,即光线在大质量恒星附近通过时会出现弯曲。1939年,美籍犹太裔物理学家罗伯特·奥本海默根据广义相对论证明了:一个无压力的球体在自身的引力作用下坍缩到史瓦西半径的时候,如果这时候球体的质量比临界质量大,那么引力坍缩之后就不可能达到任何稳定的状态,只能形成黑洞。1963年,新西兰数学家罗伊•克尔发现了一个旋转黑洞的精确解:克尔解,也就是除了质量外,还有角动量的克尔黑洞。1967年,英国物理学家约瑟琳·伯内尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体,这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。

1974年,英国物理学家斯蒂芬·霍金通过量子力学的方法得出结论:黑洞不仅能够吸收黑洞外的物质,同样也能以热辐射的方式向外“吐出”物质(即“霍金蒸发”)。他认为,黑洞发射粒子具有超越通常和量子力学相关的额外的不确定性或不可预言性;随着黑洞发射粒子,它的质量和尺度就稳恒地减小,直到黑洞最终把自己发射殆尽。霍金于2015年对黑洞理论进行了修改,宣称黑洞实际上是“灰色的”;新“灰洞”理论称,物质和能量被黑洞困住一段时间后,又会被重新释放到宇宙中。

2015年,两个美国探测器首次探测到了两个黑洞合并的引力波信号,从而为黑洞的存在提供了第一个直接证据,即它们可以成对的形式存在,而这些成对存在的黑洞可以碰撞并合并,在这一过程中以引力波的形式释放大量能量,从而使人类首次“听”到了黑洞的“声音”;对这项成果起到决定性作用的三位科学家在2017年获得了诺贝尔物理学奖。2019年4月10日,EHT给出了人类首次拍到的黑洞图像。可见黑洞是最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一,很值得人们关注和研究。

 

黑洞的演化过程

黑洞就是一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇点和周围一部分空空如也的天区,这个天区范围之内不可见。依据广义相对论,当一颗垂死恒星崩溃,它将聚集成一点,这里将成为黑洞,吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。黑洞通过事件视界的临界面与宇宙划清界限,视界之内的一切东西都不能够逃出黑洞,包括光;在黑洞中心,我们所有的物理定律都会失效,该中心会释放出高能的辐射束。可以说,黑洞形成的必要条件就是一个巨大的物体,集中在一个极小的范围。

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程;当恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去时,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力,使得任何靠近它的物体都会被黑洞吸进去。跟中子星一样,黑洞也是由质量大于太阳质量好几十甚至几百倍以上的恒星演化而来的。

当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料,由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”,黑洞由此而诞生。

按组成来划分,黑洞可以分为两大类:一是暗能量黑洞,二是物理黑洞。如果以质量为参照,黑洞可以划分为四类:比恒星质量小的黑洞,恒星级黑洞(质量与恒星相当或者是其几倍),中等质量黑洞(恒星质量的上百或上万倍),超大质量黑洞(恒星质量的上亿倍)。有关专家认为,超大质量黑洞可能存在于每一个星系中,这也是星系维持稳定的原因。

 

黑洞的表现形式

与别的天体相比,黑洞十分特殊。人们无法直接观察到它,科学家也只能对它内部结构提出各种猜想。而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的时空。根据广义相对论,时空会在引力场作用下弯曲。这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短光程传播,但相对而言它已弯曲。在经过大密度的天体时,时空会弯曲,光也就偏离了原来的方向。

在地球上,由于引力场作用很小,时空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周围,时空的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的“隐身术”。

更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的“侧面”、甚至“后背”,这是宇宙中的“引力透镜”效应。引力透镜是天体物理中最重要的研究工具和手段之一,在暗物质、暗能量、大尺度上的引力和系外行星探测上都发挥着巨大作用。

科学家们发现,当两个黑洞融合或中子星被黑洞“吞噬”时(其实黑洞和中子星之间没有太大的区别;两者都是恒星死亡的结果),时空弯曲中的涟漪就会形成分形表面。分形被誉为大自然的几何学,其概念最早是由美籍犹太裔数学家伯努瓦·曼德布罗特提出的。中国科学家周海中曾经指出:分形几何不仅展示了数学之美,也揭示了世界的本质,从而改变了人们理解自然奥秘的方式。至于黑洞所引起的时空涟漪为什么具有分形几何特征,其原因现在还是一个谜。

探索的意义所在

黑洞探索的意义重大。就现实意义而言,黑洞探索可以间接推论宇宙是如何和何时产生的,由此也能了解宇宙之后地球是如何产生的。通过黑洞探索,人们可以知道宇宙是否因为大爆炸而产生和星系演化是否受到星系中的壮观喷流的影响。可能最现实的是,黑洞的存在是否会影响到地球上的人类乃至生物的生存;如果有影响,科学界会采用什么样的方式来预防、避免或者减少这样的影响。

黑洞探索也有衍生意义。既然有黑洞,宇宙中可能也存在白洞和虫洞。白洞可以看成时间呈现反转的黑洞,进入黑洞的物质,通过虫洞的时空隧道,最后应会从白洞出来,出现在另外一个宇宙。虽然现在白洞和虫洞还都停在科学家们的猜想当中,但是只要人类的天天棋牌游戏手机版能够有很大的提升,相信能够穿越时空的这一天迟早会到来。

黑洞探索还催生了人造黑洞。人造黑洞和自然界的黑洞有着本质的不同,因为它不产生强大的引力场。人造黑洞能帮助科学家全面、准确地理解宇宙,在太阳能电池、光子探测器、隐身设备等领域具有很高的应用价值。另外,人造黑洞有可能作为宇宙飞船的动力,使宇宙飞船以接近光速的速度飞行,从而实现星际旅行的梦想。

 

[作者附言:主要编译自《Space Engine》《Sky & Telescope》和《Space Today Online》。写这篇文章时,参考或采用了一些相关资料;特此说明并表示衷心的感谢。]

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