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黑洞的前身和今世

2020-10-26 69 10/26

黑洞的最早发现可以追溯到18世纪。当时,人们普遍认为,光是由粒子组成的。 1783年,根据牛顿的万有引力定律,英国哲学家约翰·米歇尔(John Michel)提出光是粒子。如果的引力足以束缚轻粒子,则天体将不会发光,人们将无法观察到它。它被称为暗星。这是第一次记录的黑洞描述。

1796年,著名的数学家拉普拉斯(Laplace)也提出了同样的观点,并在他的《天体力学》一书中写下了暗星的故事。但是在1799年,一位眼科医生做了他一生中最有影响力的实验,从那以后改变了世界观,光不是粒子,而是波。这是托马斯·杨(Thomas
Young)进行的双缝干涉实验。那么光不是粒子,光是一种波,人们就无法理解波这种东西要怎样才能被吸引,因此,拉普拉斯(Laplace)悄悄抹去了他在天体力学工作中的暗星,而黑洞则悄悄地掀开了历史舞台。

直到1915年,一篇划时代的论文诞生了,它改变了世界格局并支撑了一座新的物理学大楼。这就是爱因斯坦的广义相对论。但是广义相对论的引力场方程太难了,还没有精确的解决方案。直到1917年,计算第一次世界大战前线炮弹轨道的物理学家Schwarzschild才获得了广义相对论的第一个精确解,即Schwarzschild度量,这是非常著名的黑洞解。那么这种天体真的存在吗?无论如何,爱因斯坦是第一个不相信会形成这样的天气的人,他对这一结果进行了详细的计算,并在《物理学期刊》上发表,否认了它存在的可能性。

这时,新的天文学和物理学科学诞生于1930年代。人们还对恒星的内燃模式有基本的了解。恒星的内部无时无刻都有两种力量在抗衡,一种是内核反应产生的辐射,一种是自身质量的强大动力。当恒星内核反应终止没有了辐射压,强大的重力则会让恒星向内收缩,直到有种力量阻止恒星进一步探索形成白矮星。

1930年,印度物理学家钱德拉塞卡提出了钱德拉塞卡极限。他相信,当一个白矮星的质量超过太阳质量的1.4倍时,它自身的强大引力将迫使电子从原子核外进入原子核,从而将其破坏。通过这种平衡,恒星将向内进一步塌陷,形成由中子组成的中子星。

1939年,奥本海默提出了奥本海默极限。当中子质量大于太阳质量的8倍时,中子星的引力将破坏中子的简并压力。此时,没有力与重力竞争,恒星将向内无限收缩,形成密集的起点。此时,对黑洞的研究应该已经成型,但是第二次世界大战的爆发使科学家转向了核弹,并且黑洞再次陷入困境。直到1960年至1970年,黑洞研究才进入了黄金时代。在此期间,关于黑洞的理论层出不穷。这时人们发现史瓦西的解释一个理想中的天体没有旋转也不带电的黑洞,但现实中的天体都有自传。
1963年克尔根据广义相对论提出科尔黑洞,一个有自传会旋转的黑洞。1965年纽曼根据科尔的旋转黑洞提出即旋转又带电的黑洞,科尔纽曼黑洞,可是人们又发现了一个新的问题,天体都是不规则的球体,他真的可以完美的他作为一个起点吗?霍金说可以。 1965年,霍金(Hawking)和彭罗斯(Penrose)提出了奇点定律,证明了奇点可以存在,但是黑洞在此之前没有一个众所周知的名称。

1967年著名的物理学家惠勒在一次演讲中正是以黑洞这个名字来阐述这个奇特的天体,从此黑洞正式出事被人们熟悉,人们就很恐慌,黑洞岂不是会把所有物体都吃光,而且还不吐。他是只进不出,毕竟连光都无法逃脱。1974年霍金说不是如此,黑洞不光只知道吃它还会往外吐。霍金根据量子效应提出霍金辐射,认为黑洞会辐射出粒子,那么这就存在了一个问题,黑洞会随着霍金辐射慢慢消失殆尽,落入黑洞物质的信息也会随之消失,而这个就违背了量子理论的一个重要原则:
信息不能被摧毁,这就成为了困扰物理学家的一个噩梦,黑洞信息悖论,直至今日这个问题仍然没有得到解决。研究了这么久,黑洞只是存在于理论阶段,那么它真的存在于现实中吗?这个问题的答案也随着霍金的一场打赌认输而明了。

1975年科学家已普遍认为,位于天鹅座方位的双星系统,天鹅座X1就是一颗黑洞。于是霍金和吉普索恩打赌,霍金赌他不是一颗黑洞,但之后观测的所有证据都表明,天鹅做X1确实为一颗黑洞,1990年霍金认输,天鹅座X1也成为人类发现的第一颗黑洞,但真实的黑洞长啥样子?我们只能根据数据模拟黑洞的虚拟图片,那有没有黑洞的真实照片?

2019年4月公布了人类首张直接拍摄的黑洞照片,这是经过数千名科学家两年共同努力的结果,这也是200多年来对黑洞探索又一次伟大的胜利。

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