科普:黑洞,開啟了物理學的一個新時代

2020年10月6日,英國人羅傑▪彭羅斯、德國人賴因哈德▪根策爾和美國人安德烈婭▪蓋茲因在黑洞研究中做出的貢獻而被授予2020年諾貝爾物理學獎。黑洞是什麼?為什麼說黑洞不黑?能看到黑洞嗎?人類能否製造黑洞?接下來,就讓老郭來為您盤點一下這些與黑洞有關的物理學知識。

科普:黑洞,開啟了物理學的一個新時代

一、黑洞是什麼?

日常生活中的洞通常都是物質缺失的地方,黑洞其實恰恰相反,它是缺失的對立面,那里是質量非常密集的地方,如此巨大的質量導致強大的重力可以吸引任何物質,甚至連光都不能夠逃離它的束縛。黑洞就像宇宙空間中的漩渦,吸進一切靠近它的物體。

嚴格來說,黑洞並不是一個非常新的科學概念,早在18世紀,牧師兼地質學家的約翰▪米切爾就從理論上思考過可能存在一種其逃逸速度大於光速的天體,不過米切爾並沒有真正推理出這樣的物體確實存在,只不過這是當時的一種想法。

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1915年,愛因斯坦提出了著名的廣義相對論,隨後廣義相對論被用於宇宙學領域的研究,科學家們通過理論推導發現,大質量恆星可以塌縮成黑洞,並預言了黑洞有可能對周圍物質造成的影響。通過觀察這些影響,天文學家們有可能發現黑洞的存在。

20世紀20年代,德國物理學家卡爾▪史瓦西用廣義相對論建立了黑洞的數學模型,指出了黑洞視介面的存在,並給出了視介面的大小,這就是著名的史瓦西半徑。史瓦西用一個簡單的方程向大家展示了黑洞大小與其質量之間的關係。

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20世紀60年代,美國物理學家約翰惠勒給這種天體命名為黑洞,隨著更多的科學家加入黑洞的研究,黑洞這個名稱就被科學界普遍接納下來。

二、黑洞其實不黑

從可見光的角度來說,黑色就是不反射光,對於黑洞來說,科學家們也曾經這麼認為,黑洞是不會向外輻射電磁波的。

科普:黑洞,開啟了物理學的一個新時代

剛剛獲得諾獎的英國物理學家彭若斯在研究帶電且旋轉的黑洞的時候發現,在這種黑洞的視介面和無限紅移面之間存在著能層,而能層中除了正常的正能軌道之外還存在著負能軌道。如果一個物體只在黑洞引力的作用下飛入黑洞的能層,並且碎裂成兩塊,如果其中一塊沿著負能軌道落入黑洞內部,則另一塊碎片就會沿著測地線飛往無窮遠。

對於無窮遠的觀測者來說,這個飛出黑洞的物體,其出射能量大於入射能量。這個過程被稱為彭若斯過程。受彭若斯過程的啟發,米斯納預言黑洞存在類似於受激輻射的超輻射。按照愛因斯坦在研究原子對光的發射和吸收時提出輻射有兩種,一種是自發輻射,另一種是受激輻射的思路影響,人們很快就得出了黑洞存在自發輻射的結論。

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對於黑洞自發輻射研究做出卓越貢獻的物理學家就是史蒂芬▪霍金,這就是後來著名的霍金輻射。霍金輻射的發現完全出乎科學家們的預料,它表明黑洞不是一顆僵死的星,而是有著豐富內涵的。黑洞不是一個只進不出的洞,它能向外輻射粒子。黑洞不是恆星演化的最終歸宿,而是恆星演化的一個階段。

從此,黑洞不再是茫茫黑夜中的黑點,而是周圍發生著激烈效應的星體。黑洞熱效應的意義深遠,已經超出了天體物理學的範疇,它揭示了引力效應與熱效應的深刻聯繫,預示著物理學一個新時代的到來。正因為彭若斯對於黑洞研究的貢獻,才會被授予諾貝爾物理學獎。

科普:黑洞,開啟了物理學的一個新時代

三、黑洞能被看到嗎?

北京時間2019年10日晚9時許,包括中國在內,全球多地天文學家同步公佈人類歷史上首張黑洞真容。這一由200多名科研人員歷時10餘年、從四大洲8個觀測點「捕獲」的視覺證據,有望證實愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立。

露出真容的黑洞,位於室女座一個巨橢圓星系M87的中心,距離地球5500萬光年,質量約為太陽的65億倍。它的核心區域存在一個陰影,周圍環繞一個新月狀光環。這是人類第一次凝視曾經只存在於理論中的天體——黑洞,一種體積極小、質量極大的天體,如同一個宇宙「吞噬之口」,連光也無法逃逸。

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四、人類能否製造黑洞?

如今粒子加速器已經足夠強大,有可能在地球上產生微小的黑洞。2008年6月,吉汀斯教授在報告中稱,歐洲的科學家很快就會利用粒子加速器製造出人造黑洞。這些微型黑洞與宇宙形成時就已經存在的黑洞類似。由於霍金輻射的存在,這些小黑洞只能存在很短的時間。

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結束語

儘管黑洞對於大多數喜歡科普的讀者來說已經不是什麼新概念了,但科學家們對黑洞仍然充滿著激情,對於黑洞的深入研究,有助於破解一些宇宙中的基本奧秘。也許你就是那個揭開謎題的人也說不定,看好你們喲。

來源:kknews科普:黑洞,開啟了物理學的一個新時代