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爱因斯坦又对了,世界首张黑洞照片公布!

黑洞是宇宙中最致密

也最神奇的天体



经过漫长的等待,在全球200多位科学家的努力之下,世界上第一张黑洞照片终于出来啦。


发布会中,公布的照片长这样下面这样,圆圆的,红红的,好像还有点糊。


发布会公布黑洞照片


这张照片要怎么看呢?让超模君带你去看一下。


知识点一:黑洞本体看不见

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知识点二:周边的红色是经过处理的

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知识点三:光圈是非对称的

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知识点四:这张照片是拼凑出来的

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最后,最重要的是,爱因斯坦百年前(1915年)提出的广义相对论,通过这次照片证明,它是对的


假如你想知道更多关于黑洞的知识,可以点击下图,查看昨天超模的首图文。



今天,作为人类史上第一张黑洞照片出炉,它的历史意义毋庸置疑是要出现在以后的教科书里的。


为了纪念这个历史时刻,相比于科普知识,超模君更想带你去再次了解一遍人类在发现黑洞过程,那个漫长而曲折的故事。



 最早的黑洞概念 


虽然黑洞这个名词是20世纪才提出,但是早在18世纪末,英国物理学家约翰·米歇尔和法国数学家拉普拉斯就曾预言过这种神秘天体的存在。


1783年,米歇尔在英国皇家学会做了一场报告,他提出了一个观点:有可能存在一种引力强到连光也无法从其周围逃逸的天体,也就是所谓的“暗星”。


无独有偶,1796年,数学家拉普拉斯所撰写的《宇宙体系论》中也指出了存在暗星的可能性。


拉普拉斯

那米歇尔与拉普拉斯所说的暗星是个什么概念呢?让我们从一个简单的思想实验说起。

如果你站着一座高楼的楼顶,沿水平方向扔出一块石头;过一段时间后,这块石头就会落回地面。

然后,你越发用力地扔石头。随着这块石头的初速度不断增大,它落回地面的时间也会越来越晚。如果你给这块石头的初速度超过了7.9km/s,它就不会再落地了,而会像地球卫星一样绕着地球旋转。

这还没有完,因为你还可以继续提高石头的初速度。如果这个初速度超过了11.2km/s,它就可以挣脱地球引力的束缚并离地球而去。这个能挣脱地球引力束缚的速度,就是地球表面的逃逸速度。


一个天体表面的逃逸速度,只取决于这个天体的质量和半径。如果天体的半径固定不变,其表面的逃逸速度会随着天体质量的增大而增大;反之,如果天体的质量固定不变,其表面的逃逸速度会随着天体半径的减小而增大。


也正是这个非常简单的逃逸速度,催生了暗星的概念。可惜这个暗星理论提出没多久,就遭到了当头一棒。


要解释暗星理论遭遇了怎样的打击,我们需要先介绍一个困扰人类好几百年的超级难题:光到底是什么东西?



光是什么?


关于光的本性,史上曾经出现过两大学派:其中一派是以牛顿为代表的粒子说,认为光由某种坚硬的粒子构成;另一派是以惠更斯为代表的波动说,认为光是某种介质的波动。


但由于牛顿的巨大威望,在整个17世纪中,光的粒子说占据了上风。也正是基于光的粒子说,米歇尔和拉普拉斯才把逃逸速度和光速联系在一起,进而提出了暗星理论。


但19世纪初,英国著名物理学家托马斯·杨做了一个实验,把原本高高在上的粒子说打入了万丈深渊。


托马斯·杨


这就是著名的杨氏双缝实验。

让一束光,从左到右先通过一个有一条狭缝的挡板S1,再通过一个有两条狭缝的挡板S2,最后照到一个接受屏F上。从理论上讲,如果光真由粒子构成,由于中间那两条狭缝的遮挡,右边的接受屏上将只会出现两条狭缝形状的亮线。




不过在实际做实验的时候,托马斯·杨发现在被挡板遮住的区域内,同样出现了很多明暗相间的条纹。


换句话说,光并非一直走直线,而在行进的过程中发生了拐弯。这就不是粒子能做到的事了,必须是波才可以。换言之,杨氏双缝实验发现了一个只能用波动说、而不能用粒子说来解释的现象。


这对暗星理论而言也是一个大噩耗。因为引力只能作用在光粒子上,而无法作用于光波。


既然理论不能成立,拉普拉斯也在1808年,他对《宇宙体系论》进行了再版,并且删掉了所有关于暗星的内容。

 


 暗星理论重出江湖


从那以后,暗星理论早已被人遗忘在历史的垃圾堆。


但在20世纪初,故事又发生了反转。


当时德国物理学家普朗克和爱因斯坦发现,同样存在必须用粒子说、而不能用波动说解释的现象。


也就是光其实既是一种粒子,又是一种波,这就是所谓的波粒二象性。


1915年12月,一位叫卡尔·史瓦西的天文学家注意到《德国科学院院刊》上的一篇文章提出了一个全新的理论,那就是爱因斯坦的广义相对论。


卡尔·史瓦西


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……



史瓦西一下子就对这个公式感了兴趣。只花了几天的时间,就快刀斩乱麻地找到了爱因斯坦引力场方程的一个精确解,那就是著名的史瓦西解。





史瓦西解描述了一个有质量、无转动、无电荷的球对称天体,其周围的时空具有怎样的几何特征。


基于这个史瓦西解,史瓦西又发现了一件意义重大的事情。如果一个质量为M的球形天体,收缩到一个特定的范围以内,光就无法再从它的表面逃逸。


换句话说,如果一个球形天体的半径小于一个特定的数值,它就会变成一个连光也跑不出去的太空监狱。


这个特定的数值就是所谓的史瓦西半径,其大小为R=2GM/c^2。


其中牛顿引力常数G=6.674×10^{-11} N·kg^{-2}·m^2,而光速c=2.998×10^{8}·m/s。


如果把太阳的质量(即1.989×10^{30}kg)带入此公式,可以算出太阳的史瓦西半径约为2954米;如果把地球的质量(即5.972×10^{24}kg)带入此公式,可以算出地球的史瓦西半径约为8.869毫米。


也就是说,如果太阳的半径缩小到2954米,或者地球的半径缩小到8.869毫米,就会变成连光都能囚禁的恐怖监狱。


史瓦西的发现让沉寂了100多年的暗星理论得以复活。一个天体要是坍缩到史瓦西半径以内,就会变成一颗永远也看不到的暗星。


但是爱因斯坦和爱丁顿坚决反对这样的可能性。


他们认为,史瓦西解只是一场纯粹的数学游戏;在真实的物理世界中,根本不存在半径小于史瓦西半径的天体。


按照爱丁顿的说法,一定存在某种机制,阻止天体塌缩到史瓦西半径以内。


由于爱因斯坦和爱丁顿的巨大威望,很长一段时间,这种看法都是天文学界的主流。



黑洞名字的由来


前面我们有说到,米歇尔和拉普拉斯管这种太空监狱叫“暗星”。


到了20世纪中叶,天文学界则称它为“引力完全塌缩天体”。


但许多人认为,这两个名字都不够理想:前者不够清晰,而后者又过于拗口。


在1967年底的一次学术会议上,来自是美国著名物理学家约翰·惠勒首次把这种连光都逃不出去的太空监狱称为“黑洞”。


约翰·惠勒


这个名字,很快就以它的简洁和神秘,得到了世界各国天文学家的认可。


但法国天文界却死活也不同意,因为他们觉得黑洞这个名字过于色情


有了名字以后,黑洞的研究变得越来越热门,最终成为了天文学最大的热点之一。


人们利用理论物理的工具,对黑洞进行了大量的研究,而这些研究后来又极大地促进了理论物理的发展,于是才有了今天发布的人类史上第一张黑洞照片。


参考资料:https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404309188024392029#_0

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来自:由狭渐广  > 中科院物理
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