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一個嚴肅思考:如果被吸入黑洞真的會穿越嗎?

2019年台灣時間 4月10日21點整,全球六地(比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和台北、日本東京和美國華盛頓)同步召開全球新聞發布會。“事件視界望遠鏡”(Event Horizon Telescope, EHT) 發布了位於巨橢圓星系M87中心的黑洞照片。

這也是有史以來首張黑洞照片,一直“活在傳說中”的黑洞終於露出了真容,網友們紛紛表示神似甜甜圈。

第一張黑洞照片,5500萬光年外的梅西耶87(M87)圖片來源:Event Horizon Telescope(一只求生欲很強的阿信)

也有網友表示不服,於是大家對著黑洞照片紛紛開了腦洞......

早在幾個世紀以前,人們就察覺到了黑洞的存在。

直到今天,人類才首次拍攝到黑洞的照片,據介紹,此次發布的黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞,其距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。

該圖像的許多特徵與愛因斯坦廣義相對論的預言完全相一致,在強引力極端環境下進一步驗證了廣義相對論。通過研究這個圖像,人類將揭示出黑洞這類天體更多本質。

黑洞的探索之路

對於黑洞的探索,人類從未停止努力。

1796年,法國科學家拉普拉斯曾在他的《宇宙系統論》中做出一個猜想:在宇宙中有一種天體,它的引力非常強,以至於光線都無法逃脫,他把這類天體稱為“封閉星體”。

這是科學家對黑洞最原始的想法。

一個多世紀以前愛因斯坦的廣義相對論預言了這樣一種最奇幻的天體,長期以來一直引起科學家和公眾的猜測和幻想。雖然愛因斯坦明白黑洞是他的方程式的數學解,但他並未接受過它們對應的物理現實。

在廣義相對論提出幾個月後,德國物理學家卡爾·施瓦西 推導出了廣義相對論球對稱引力場的嚴格解,還提出了物體的史瓦西半徑的概念,當一顆恆星收縮到這一半徑大小時,就會變成黑洞。

這一切都在20世紀60年代和70年代發生了變化,1962年,紐西蘭物理學家羅伊 · 克爾解決了旋轉黑洞(即克爾黑洞)的引力場和時空問題。

1967年12月,約翰·惠勒在一場題為“我們的宇宙:已知與未知”的演講上講述了坍塌的恆星,他用《愛麗絲夢遊仙境》的故事打了個比喻:

“(坍塌的恆星)像柴郡貓一樣消失了。貓隻留下了它的笑。而恆星隻留下了它的引力。有引力,但沒有光。無論是光還是其他粒子,都不再出現。而且,射入黑洞的光或粒子只會使其質量增加、引力增強。”

他在故事中偷偷用一個新術語替換了坍塌的恆星,那是這種奇怪的天體第一次被命名為“黑洞”。

電影《愛麗絲夢遊仙境》中的柴郡貓

1971年:天體物理學家們探測到了天鵝座X-1,這個二元系統的特徵表明它是由一個黑洞和一顆巨大恆星組成的。從那以後,黑洞一直是理論物理學家密切關注和研究的主題。

Cygnus X-1 黑洞(圖片來源:NASA JPL)

什麽是黑洞

黑洞的迷人之處在於它或許是宇宙中最極端和最叛逆的天體一個黑洞就擁有解構萬物、回歸本源的能力。

那麽黑洞到底是什麽呢?

我們都聽說過萬有引力,引力其實是一種很弱的力,即使地球的質量高達 6×1024千克,你也可以跳起來,或者乘飛機飛到天空中去。但是你的這種自由只是暫時的,物體通常在離地之後總會再落下來,除非你的速度超過一定數值。

如果你能以每秒 11 千米的速度從地面上跳起,你就可以逃脫地球的引力。科學家至少要以這樣的逃逸速度發射火箭才能將飛行器送入太空。

一個天體體型越大,物質排列越緊密,其逃逸速度就越高。從木星、太陽到白矮星、中子星,它們的逃逸速度是依次遞增的。然而,最大的那些恆星的核心坍縮之後會形成一個密度極高的物體,其逃逸速度甚至比光速還要高。

因為沒有什麽能比光傳播得更快,所以也沒有什麽東西能從這些“黑洞”中逃脫。這就是它們名字的來歷——所有的光線都被它們吞了進去,所以它們看起來是黑色的。

但事情的奇怪之處就在於黑洞並不黑。借助量子力學,史蒂芬·霍金證明了黑洞有一定的溫度,這跟它們表面的引力相關。

如果你太靠近黑洞,就會被它的引力永久地困住,不管多大的推動力都不能讓你擺脫它的魔爪,而這個無法逃離的邊界被稱為“事件視界”。

跌入黑洞會怎樣

當跨過這條邊界的時候,你可能都沒覺得有什麽不對勁兒的地方,但是這無疑會改變你的命運。

假如你的腳先跨過事件邊界,那麽黑洞對你的腳的引力比對你的頭的更大,並且二者之間的差異最終會超過原子鍵的強度,這時你——會——被——拉——長,物理學家稱其為“意大利面條化”。

那麽,當黑洞把你扯成一根長長的意大利面的時候,你會落入何處呢?這是現代物理學中最棘手的問題之一。

根據愛因斯坦的廣義相對論,嚴格地說,恆星的核心最終會坍縮成一個體積無限小、密度無限大的點,我們稱之為“奇點”空間和時間都在此處完結。

我們通常認為,落入黑洞的物體都被吸入了奇點。

質量最大的那些恆星在死亡時會形成一個將時空扭曲到極限的黑洞,任何東西都無法從中逃脫。

讓我們來看一下最尋常的黑洞,即所謂的“施瓦西黑洞”,它是以其發現者卡爾·施瓦西的名字命名的。古語說:“世事有起終有落。”但在施瓦西黑洞的內部,有一個更確切的事實:沒有“起”,只有“落”。

但是,我們不太確定這樣的“落”最終會到達哪裡。

從施瓦西黑洞背後的數學原理出發得出的最直截了當的假說是,黑洞核心有一個可無限壓縮的物質核,落入這個核是萬物的終結,也是時間的終點。這個假說非常難以檢驗,因為進入黑洞的觀測者不可能回來告訴我們他看到了什麽。

黑洞是怎麽找到的

雖然我們很難看到黑洞本身,但黑洞周邊我們是可以看到的,如果周邊有其他物質,便會被黑洞吸引,在它周邊堆積成盤,高速旋轉,相互摩擦,從而變得炙熱無比。

在周邊物質發出的一片亮光中,黑洞會吸收所有離它太近的光線,留下一個清晰的黑色剪影。但實際上,這個剪影幾乎不可能被看到。原因很簡單,黑洞太小了!想要看清這個黑洞留下的這個剪影,我們必須擁有超強的視力,比如,在地球上看清楚月球表面的一個橙子。

如果人類有一台超大的望遠鏡,口徑跟地球的直徑相當,那麽理論上來說,這台望遠鏡就擁有足夠的分辨率,能夠讓我們隱約看清銀河系中心超大黑洞留下的剪影。只可惜,我們不可能把整個地球改造成一台望遠鏡。

於是,天文學家就想出了其他辦法,他們將分散在歐洲、北美、南美、太平洋和南極的8台射電望遠鏡聯合在一起,組合成了一台足有地球大小的“事件視界望遠鏡”,分別在2017年4月和2018年4月,對銀河系中心的那個超大黑洞,還有5000萬光年以外M87星系中心的另一個超大黑洞,進行了聯合觀測。

後者雖然距離更遠,但它的質量足有太陽的大約60億倍,所以看起來應該跟銀河系中心的超大黑洞差不多大小。而昨天公布的照片,就是“事件視界望遠鏡”拍到的黑洞的影像。

事件視界望遠鏡

這張照片,第一次直接的幫助我們確認了黑洞的存在。在此之前,雖然人類通過各種方法間接的確認了黑洞的存在,但都不是最直接的方式。

這張照片,則妥妥的證明了:黑洞確確實實是存在的。

在人類首張黑洞照片拍攝計劃之初,中國科學院國家天文台研究員苟利軍和其他研究者合作寫過一篇文章。

文中曾提到:

無論我們最終得到的黑洞圖像是什麽樣子——像電影畫面一般壯觀恢弘,或者只有幾個模糊的像素點——視界面望遠鏡都意義非凡,這是我們在黑洞觀測史上邁出的重要一步。

觀測結果不僅僅是一張照片那麽簡單,它一方面呼應著愛因斯坦的廣義相對論,一方面也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產生並影響星系演化的。

我們將成為有史以來第一批“看見”黑洞的人類,真是好運氣!

如今照片就在我們眼前,雖然我們隻將黑洞的神秘面紗掀開一角,在全世界科學家們的共同努力下,人類對黑洞的認知、對宇宙的探索將會更加深邃。

在下一個50年,人類必然又將想象推進到前所未有、想所未想的境地吧。誰會第一個突破我們的眼界呢?

如果你想要了解黑洞,特別是現在人們認識的黑洞(要知道在這幾年裡人們對黑洞的研究又熱情洋溢地邁進了一大步),以下幾本書會用最通俗的語言讓你看到新世紀研究者視野中的黑洞。

關於黑洞

這些經典讀物不可錯過

《黑洞之書》

[美] 史蒂文·古布澤、弗蘭斯·比勒陀利烏斯 著

苟利軍 鄭雪瑩 趙雪杉 譯 | 2018年11月

中信出版集團

國家天文台“青年千人”研究員、恆星級黑洞爆發現象研究創新團組負責人苟利軍教授參與翻譯的“7堂極簡黑洞課”。

《極簡天文學》

[英] 科林·斯圖爾特 著柏江竹 譯 |2019年04

中信出版集團

人類探索星空和宇宙奧秘的“濃縮版”認知歷程。

《時空的秘密》

[荷] 霍弗特.席林 著 胡奐晨 譯 | 2018年10月

中信出版集團

一部宇宙探索的大歷史,黑洞、大爆炸、時空彎曲……那些你不明覺厲的名詞在這本書裡都變得容易理解了。

《引力波》

[美] 珍娜·萊文 著胡小銳 萬慧 譯 |2017年10月

中信出版集團

作者再現了50多年來,LIGO科學合作組織的科研人員在發現引力波的過程中面臨的困難、經受的考驗和付出的艱辛,她將這個精彩程度不亞於《星際穿越》的故事娓娓道來,以引人入勝的筆觸為我們描述了其間的驚奇、失望、成就、風險和人性。

《幸運的宇宙》

[澳] 傑蘭特·劉易斯[澳]盧克·巴恩斯 著

任燁 譯| 2018年6月

中信出版集團

這是一段長達138億年的宇宙探索之旅。在旅途中,我們會乘坐著“時空穿梭機”去參觀不同的宇宙,去發現大爆炸、暴脹、粒子、恆星、行星、星系、氣體雲、黑洞、生命產生的奧秘,去探尋愛因斯坦夢寐以求的自然終極規律。

《太陽系簡史》

[英]約翰·錢伯斯[英]傑奎琳·米頓著

楊潔玲 譯 | 2018年9月

中信出版集團

一本文科生也能讀懂的天文科普,兩位作者會帶你踏上太陽系發現之旅。所有關於太陽系的“小白”問題,你都將在這裡找到答案。

《DK大歷史:從宇宙大爆炸到我們人類的未來,138億年的非凡旅程》

[美] 大衛·克里斯蒂安 著

徐彬 譚瀅 王小琛 譯 | 2018年9月

中信出版集團

比爾·蓋茨“大歷史項目”交卷之作,大歷史創始人大衛·克里斯蒂安與DK攜手打造!千幅思維導圖、CGI、珍貴照片打造的視覺盛宴,一本書“看見”138億年的萬物史。你書桌上的小宇宙,拆除學科壁壘,呈現容納萬物的知識寶藏。

最後,轉發這篇黑洞啊盆友們!

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