今天晚上 9:00 ,我们有幸成为地球 46 亿年历史里首批看见黑洞的生物,可以说是实实在在见证了历史!

爱因斯坦是如何发现黑洞(爱因斯坦错过的)(1)

这是由事件视界望远镜(EHT)成功获得的超大黑洞的第一个直接视觉证据,它是用望远镜矩阵直接长时间曝光拍摄了10天,经过长达1年的背景音去除等工作获得的,是首次直接观测到的,对于未来黑洞与星系的演化,以及对于黑洞更深层次的理解都有着极为重要的意义,也有力地反击了一些质疑黑洞存在的科学家。

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事件视界望远镜并不是一个传统观念的观测平台,而是由位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的天线组成观测阵列,它主要负责对银河系中央的人马座A *黑洞进行观测,捕捉黑洞周围环境的清晰图像。

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该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系Messier 87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。

黑洞是宇宙空间内存在的一种天体,如果一颗恒星的质量是我们太阳的10~50倍,即便它成为了中子星,引力仍然会继续压缩它,没有了聚变力来抵抗引力的拉拽,就无法阻止这颗恒星的最终坍缩,它就成了著名的“黑洞”。

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黑洞的引力很大,使得视界内的逃逸速度大于光速。“黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”。黑洞无法直接观测,但可以借由间接方式得知其存在与质量,并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出和γ射线的“边缘讯息”,可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。

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既然此前从未有人观测到黑洞,这种特殊的天体是如何被人家所知的呢?

熟悉物理的人应该都知道,是爱因斯坦的相对论预知了这种天体的存在,然而虽然爱因斯坦的相对论预知了黑洞的存在,可是计算出有“黑洞”天体存在的却并非是爱因斯坦!

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其实在爱因斯坦之前,还有人曾无限接近获悉到有“黑洞”的存在!

我们知道,所有的天体都有一个所谓的逃逸速度——即永久逃离这个天体引力所必须具有的最小速度。譬如,航天飞船要脱离地球,那么它的初速度就要大于地球的逃逸速度即11.2公里/秒。逃逸速度取决于星球的质量。如果一个星球的质量大,其引力就强,逃逸速度值就高。反之一个较轻的星球将会有较小的逃逸速度。逃逸速度还取决于物体与星球中心的距离。距离越近,逃逸速度越大。地球的逃逸速度是11.2公里/秒,太阳的逃逸速度为617.7公里/秒。而我们知道光速是299792458 m/s,远远小于黑洞的逃逸速度,所以光也没有办法走出黑洞!

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逃逸速度的计算依据正是牛顿的万有引力定律,这个定律事实上给出了逃逸速度与恒星质量之间的精确关系,正是因为科学家知道了逃逸速度的存在,才能制造出航天器,从而飞出地球。但牛顿因为时代的限制,但是的数学计算方法还不完善,最终没能够对他的引力方程进一步深入延伸至大质量恒星的归宿问题上,从而错失了最早发现黑洞理论的机会。

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而到了1783年,英国天文学家约翰·米歇尔进行了一项论证,如果有个人垂直向上射出一个粒子,比如炮弹,它的上升将被引力所减缓,而且这个粒子最终将停止上升并落下。然而,如果初始向上的速度超过“逃逸速度”的临界值,引力将不够强大到足以停止该粒子,它将飞离远去。光速大约是每秒300000千米,光可以从地球或太阳轻而易举地逃逸。

但是如果一颗恒星的质量非常大,以至于它的逃逸速度达到了光速,会怎么样呢?如果引力是如此巨大,连光也跑不出去,因此从外部世界看这个恒星必然是黑的,米歇尔称之为“暗星理论”,也就是我们说的黑洞

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因为“暗星”是不可见的,所以要想在空间中找到这样一个天体对于那个时代的科学家来说是不可能的,所以很多科学家认为“暗星”没有任何意义。自此后,米歇尔的观点也逐渐被人遗忘。

而到了后来,爱因斯坦提出相对论,可是他却并没有往这方面思考,直到史瓦西的出现。

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史瓦西1873年10月9日生于法兰克福,史瓦西在天文学、物理学方面具有惊人的天赋,他16岁的时候就可以写出三体问题周期解的论文,三体问题并不是指刘慈欣的《三体》,三体问题是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。年仅17岁就在《天文学通报》杂志上,发表了两篇关于双星轨道的论文。

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而他博士毕业之后, 接连在维也纳天文台和慕尼黑天文台工作,更是担任了天文台的台长。在担任天文台长期间,他的研究成果十分丰硕, 他除了是玻尔原子光谱理论的先驱者,和A·索末菲各自独立地提出了普遍“量子化定则”,推出了电场对光影响的斯塔克效应的完整理论之外,他将辐射平衡的概念引入天体物理学,最先清楚认识到辐射过程在恒星大气热转移中的重要作用,并提出处理这种过程的数学方法。他把近代统计方法应用于天文研究,发现了以他命名的恒星速度椭球分布。

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1914年,世界大战爆发,41岁的史瓦西响应国家的号召参军入伍。他可能是德军中年纪最大的士兵了。

他被派往比利时担任气象站站长,也算是专业对口。但是随着战事的愈演愈烈,史瓦西被调离了气象站,被派到法国计算炮弹弹道。就是这一次的调令,让史瓦西的生命出现重大转折。

后来,德军炮兵也发现了史瓦西的计算功底,于是在1915年,把42岁的史瓦西派到了东线战场上任炮兵中尉,真正地奔赴在战场最前线!

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1915年,物理学家爱因斯坦提出著名的“爱因斯坦场”方程。在德军东线战场里的卡尔·史瓦西,在一封信上看见了爱因斯坦的这项轰动的理论发现。

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但是由于算法原因,爱因斯坦场方程在当时只有近似解,这点燃了史瓦西的科研欲望。在炮火连天的前沿阵地,利用作战间隙潜心研究,他居然给出了这个方程的精确解,解决了这项世界级物理难题。

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我们知道在“爱因斯坦场“方程中,爱因斯坦沿用的是传统的直角坐标系,所以对一个对称的、不自旋、不带电荷的有质量球体进行计算,只能给出一个近似解。但史瓦西则另辟蹊径,他引入的坐标系类似于极坐标系,从而可以得出精确解。

他将自己的研究成果寄给爱因斯坦,得到了爱因斯坦的夸赞。爱因斯坦场方程的这个精确解,从此被命名为“史瓦西度规”,这也正是爱因斯坦场方程的第一个精确解。

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而在此基础之上,史瓦西发出了第二篇论文,其中给出了“史瓦西内解”,以及计算黑洞视界半径的公式,由此,黑洞的视界半径便被称为“史瓦西半径”, 并把上述天体周围史瓦西半径处的想象中的球面,叫作视界。

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简单来说,史瓦西设定了这样一个天体,它的电荷量为0,也就是它呈电中性,它的角动量为0,也就是不自转,宇宙常数也为0。这本可以用于描述地球和太阳之类自转缓慢的天体,但如果它的质量增大到足够大之后,它的逃逸速度将超过光速。这就意味着没有任何东西能够逃出它的魔掌,所以它本身也无法被看见,这就是“黑洞”。

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史瓦西的这篇论文,让大家从此知道了,在茫茫宇宙之中存在着“黑洞”这种特殊的天体,自此100年里,科学家们都在为了证实黑洞的存在而前赴后继。

虽然史瓦西通过计算证实了“黑洞”的存在,但注重实践和观测的他,却无论如何也不愿意接受。他认为,这个数学上的解根本就没有对应的物理意义,他不相信黑洞是真实存在的。

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1916年,还没有来得及去实证“黑洞”概念的史瓦西在战场上染上了“天疱疮”,天疱疮是一种棘手的自体免疫疾病,人体内的免疫系统本该用来对付外来的病原体,但在某些情况下,免疫系统也可能会对自身机体发动免疫攻击,这就是所谓的自体免疫疾病。身染恶疾的史瓦西被送回来德国老家,不到两个月,就撒手人寰,在他去世之后他的论文由爱因斯坦协助发表在Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften!

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然而,史瓦西所做的卓越贡献得到了大家的一致肯定。1960年,德国科学界在图林根邦陶腾堡地区建立了以史瓦西命名的“卡尔-史瓦西天文台”。庆祝天文台成立的献词中说道:史瓦西是近百年来最伟大的德国天文学家,他的儿子马丁更是继承父亲的遗志,在天文学领域不断开拓。

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而他由“史瓦西半径”得出的黑洞也被命名为“史瓦西黑洞”。这是一种“寻常黑洞”。它是直接由较大的 恒星 演化而来的。恒星到晚期时核燃料消耗殆尽,辐射压急剧减弱,星体在其自身引力的作用下坍缩。若质量(指原恒星的质量)大于3倍的太阳,其产物就是黑洞。在宇宙空间里,此类黑洞具多数,其最大质量一般不超过50.2倍的太阳。

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史瓦西通过计算得出来“黑洞”的概念意义是非常重大的,过去我们从来不知道这个宇宙可能会存在“黑洞”这样的特殊天体,这对于我们探寻宇宙的演变以及未来探索太空都具有十分重要的意义。

霍金的一些对黑洞的研究理论就为人类未来由黑洞而衍生出来的3种科技指明了一些方向,这三种科技可能将颠覆我们的认识,分明是作用于时空旅行,通过制造人工黑洞来作为哆啦A梦空间袋的存在,以及作为空间之门,用来实现超光速飞行。

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随着首张黑洞照片的公开,人们对于宇宙的探索又迈进了一大步,而这都要归功于先人的不尽探索。

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