论文部分内容阅读
最新发布的黑洞之影照片，是对爱因斯坦广义相对论的验证。如果爱因斯坦看到这张照片，是不是会发笑？
愛因斯坦100年前提出的广义相对论，预言了黑洞的存在。
1915年，爱因斯坦凭借他卓越的物理天分，提出了广义相对论，颠覆了人们一直以来的经验和认知。根据广义相对论，曾经被认为只是居住在广袤时空上的宇宙万物，一下子翻身做了时空的建造者。
在广义相对论问世时，因其过分天马行空的时空观，人们不敢相信。但随着100年来科学的发展，通过广义相对论推演出的很多重要预言，都逐一得到了证实，最近一次，就是黑洞照片的问世。
引起世界狂欢的黑洞之影，与广义相对论之间有怎样的渊源？
其实黑洞的想法在几百年前就已经初露端倪。我们现在已经知道，黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后，发生引力塌缩而形成的。黑洞的大质量决定了它超强的引力场，强到连传播速度极快的光子也无法逃逸。
所有的天体都有一个所谓的逃逸速度，只有当物体初速度达到天体逃逸速度时，物体才能摆脱天体的引力束缚而飞出该天体。地球的逃逸速度即第二宇宙速度，为11.2千米/秒。光的速度虽然达到了30万千米/秒，却依然无法逃离黑洞巨大的引力。
1687年，牛顿发表了他的巨著《自然哲学的数学原理》并得出了逃逸速度的概念，但很可惜的是，由于种种计算问题，牛顿最终没能将他的引力方程延伸至大质量恒星上。
到1783年，英国天文学家约翰·米歇尔第一个想到：可以存在比太阳更大质量的恒星，其逃逸速度甚至超过光速，连光都无法逃逸出去，因此从外部看这颗恒星是全黑的，他把这种巨大的天体称为黑星。
但在那个时代，要想在太空中找到这样一颗根本看不见的天体是不可能的，黑星的想法就这样被搁置了一个多世纪。直到20世纪早期，爱因斯坦创造了两种带来极大轰动的相对论——狭义相对论和广义相对论。狭义相对论描述了一种全新的时空观，即物体的运动速度会影响物体的质量、空间，甚至时间。而广义相对论，则是对曾经“万有引力”的颠覆。
根据牛顿所提出的“万有引力”，我们知道一切事物之间都有引力，物体质量越大，引力越大，比如苹果掉在地上就是受到了地球引力的作用。但广义相对论则认为，任何有质量的物体都会导致“时空”的弯曲，因此当物体向一个大质量的物体靠近时，将会沿着弯曲的路径前进，这种现象就是“引力”。
以苹果为例，苹果掉在地上并不能单纯认为是受到地球引力，而是因为地球弯曲了周围的时空，苹果沿着这一时空运动时掉了下来，我们可以借美国物理学家惠勒之言概括广义相对论的精髓：时空决定物质如何运动，物质决定时空如何弯曲。
这个结论看上去非常荒谬，但事实是，同步卫星上的时钟比地球上的每天要快38微秒，因为在那个距离地球较远的位置上，所受到的地球弯曲时空的影响较小，时间过得较慢。
广义相对论的另一个结论就是，光也受引力影响，也将沿着一个弯曲的路线走。当然，并不能说牛顿的万有引力理论就是错的，它是一种“近似”，在我们日常范畴牛顿力学已经足够。
不同于万有引力理论的简单方程式，爱因斯坦的理论要用一系列复杂的被称为“场方程”的方程式来解释。1916年，德国物理学家卡尔·史瓦西，就是根据这套复杂的场方程发现了关于大质量恒星的精确解，“黑星”问题重新浮出了水面。
依据场方程，一个密度极其大的天体在宇宙空间创造了一个区域，在这个区域中包括光也受到了天体引力影响，无法逃逸，史瓦西甚至根据场方程进一步计算了这个天体的半径。
曾经，这一切被认为纯粹只是一个数学结果，但随着天体物理学的进步，我们对恒星的生命周期有了进一步了解，一些凋亡的恒星最终可能会变成另一种奇异天体的现象或许真的会发生，现在我们已经知道，这就是黑洞。1967年，惠勒第一次提出了“黑洞”一词，在当时还只是指一种只在理论上存在的，极端致密、令时空无限弯曲的天体。52年之后，人类终于为黑洞拍下了第一张真正的照片。
面对这样一个黑透了的物体，科学家们是如何“曲线救国”找到它的面目的？那就要得益于吸积盘与喷流这两种现象了。两者皆因黑洞在吞噬万物时，气体摩擦而产生明亮的光与大量辐射。因此，对黑洞的观测结果除了说明广义相对论又一个预言被证实之外，也将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。
根据爱因斯坦的场方程，当我们知道了黑洞的质量，就能算出它的半径，为了纪念卡尔·史瓦西，这个黑洞的半径被称为“史瓦西半径”，包括光在内的任何物质都无法从史瓦西半径中逃出，而黑洞的表面积被称为“视界”，因为一旦有东西越过了视界，那么它就永远消失了，或者说，被隐匿到了宇宙的另一部分中。
有了这张黑洞照片，天文学家接下来将会从中推断更多M87黑洞的数据，包括它到底有多重，角动量是多少，周围的尘埃与气体是一种什么状态，通过将计算的数据与之前其他手段间接推测的结果进行比对，科学的认知才能获得不断进步。
现在，让我们回到那一颗“苹果”。它掉落下来，是因为牛顿提出的万有引力，还是因为广义相对论创造的时空扭曲，对于“我”而言又有什么区别，“我”究竟是为了什么在纠结？
从现实世界来说，我们每个人手中握着的带有GPS卫星定位系统的电子设备，其实就是受益于广义相对论。
未来，如果有一天虫洞旅行、光速飞船变成现实，人们就不会再问“相对论/量子论/探索宇宙有什么用”。
几年前，意大利蒙扎市议会通过了一项法案，禁止宠物的主人把金鱼养在圆形的鱼缸里。提案者解释，因为圆形鱼缸的弯曲面，会让金鱼眼中的“现实”世界变得扭曲，这对金鱼而言太残忍。
这个提案看上去很荒唐对吗？
但在这背后，却有一个哲学和物理学迷思：
金鱼看见的世界与我们看见的不同，我们何以知道我们看到的就是一个“不扭曲”的世界？
我们所感知到的“现实”就一定是真实的么？
以上，就是斯蒂芬·霍金在著作《大设计》中给出的“金鱼缸论证”。
探究黑洞，因为我们并不甘心透过鱼缸看世界。
1915年，爱因斯坦凭借他卓越的物理天分，提出了广义相对论，颠覆了人们一直以来的经验和认知。根据广义相对论，曾经被认为只是居住在广袤时空上的宇宙万物，一下子翻身做了时空的建造者。
在广义相对论问世时，因其过分天马行空的时空观，人们不敢相信。但随着100年来科学的发展，通过广义相对论推演出的很多重要预言，都逐一得到了证实，最近一次，就是黑洞照片的问世。
百年前的广义相对论，至今“前卫”
引起世界狂欢的黑洞之影，与广义相对论之间有怎样的渊源？
其实黑洞的想法在几百年前就已经初露端倪。我们现在已经知道，黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后，发生引力塌缩而形成的。黑洞的大质量决定了它超强的引力场，强到连传播速度极快的光子也无法逃逸。
所有的天体都有一个所谓的逃逸速度，只有当物体初速度达到天体逃逸速度时，物体才能摆脱天体的引力束缚而飞出该天体。地球的逃逸速度即第二宇宙速度，为11.2千米/秒。光的速度虽然达到了30万千米/秒，却依然无法逃离黑洞巨大的引力。
1687年，牛顿发表了他的巨著《自然哲学的数学原理》并得出了逃逸速度的概念，但很可惜的是，由于种种计算问题，牛顿最终没能将他的引力方程延伸至大质量恒星上。
到1783年，英国天文学家约翰·米歇尔第一个想到：可以存在比太阳更大质量的恒星，其逃逸速度甚至超过光速，连光都无法逃逸出去，因此从外部看这颗恒星是全黑的，他把这种巨大的天体称为黑星。
但在那个时代，要想在太空中找到这样一颗根本看不见的天体是不可能的，黑星的想法就这样被搁置了一个多世纪。直到20世纪早期，爱因斯坦创造了两种带来极大轰动的相对论——狭义相对论和广义相对论。狭义相对论描述了一种全新的时空观，即物体的运动速度会影响物体的质量、空间，甚至时间。而广义相对论，则是对曾经“万有引力”的颠覆。
根据牛顿所提出的“万有引力”，我们知道一切事物之间都有引力，物体质量越大，引力越大，比如苹果掉在地上就是受到了地球引力的作用。但广义相对论则认为，任何有质量的物体都会导致“时空”的弯曲，因此当物体向一个大质量的物体靠近时，将会沿着弯曲的路径前进，这种现象就是“引力”。
以苹果为例，苹果掉在地上并不能单纯认为是受到地球引力，而是因为地球弯曲了周围的时空，苹果沿着这一时空运动时掉了下来，我们可以借美国物理学家惠勒之言概括广义相对论的精髓：时空决定物质如何运动，物质决定时空如何弯曲。
这个结论看上去非常荒谬，但事实是，同步卫星上的时钟比地球上的每天要快38微秒，因为在那个距离地球较远的位置上，所受到的地球弯曲时空的影响较小，时间过得较慢。
走出“鱼缸”，从看到黑洞开始
广义相对论的另一个结论就是，光也受引力影响，也将沿着一个弯曲的路线走。当然，并不能说牛顿的万有引力理论就是错的，它是一种“近似”，在我们日常范畴牛顿力学已经足够。
不同于万有引力理论的简单方程式，爱因斯坦的理论要用一系列复杂的被称为“场方程”的方程式来解释。1916年，德国物理学家卡尔·史瓦西，就是根据这套复杂的场方程发现了关于大质量恒星的精确解，“黑星”问题重新浮出了水面。
依据场方程，一个密度极其大的天体在宇宙空间创造了一个区域，在这个区域中包括光也受到了天体引力影响，无法逃逸，史瓦西甚至根据场方程进一步计算了这个天体的半径。
曾经，这一切被认为纯粹只是一个数学结果，但随着天体物理学的进步，我们对恒星的生命周期有了进一步了解，一些凋亡的恒星最终可能会变成另一种奇异天体的现象或许真的会发生，现在我们已经知道，这就是黑洞。1967年，惠勒第一次提出了“黑洞”一词，在当时还只是指一种只在理论上存在的，极端致密、令时空无限弯曲的天体。52年之后，人类终于为黑洞拍下了第一张真正的照片。
面对这样一个黑透了的物体，科学家们是如何“曲线救国”找到它的面目的？那就要得益于吸积盘与喷流这两种现象了。两者皆因黑洞在吞噬万物时，气体摩擦而产生明亮的光与大量辐射。因此，对黑洞的观测结果除了说明广义相对论又一个预言被证实之外，也将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。
根据爱因斯坦的场方程，当我们知道了黑洞的质量，就能算出它的半径，为了纪念卡尔·史瓦西，这个黑洞的半径被称为“史瓦西半径”，包括光在内的任何物质都无法从史瓦西半径中逃出，而黑洞的表面积被称为“视界”，因为一旦有东西越过了视界，那么它就永远消失了，或者说，被隐匿到了宇宙的另一部分中。
有了这张黑洞照片，天文学家接下来将会从中推断更多M87黑洞的数据，包括它到底有多重，角动量是多少，周围的尘埃与气体是一种什么状态，通过将计算的数据与之前其他手段间接推测的结果进行比对，科学的认知才能获得不断进步。
现在，让我们回到那一颗“苹果”。它掉落下来，是因为牛顿提出的万有引力，还是因为广义相对论创造的时空扭曲，对于“我”而言又有什么区别，“我”究竟是为了什么在纠结？
从现实世界来说，我们每个人手中握着的带有GPS卫星定位系统的电子设备，其实就是受益于广义相对论。
未来，如果有一天虫洞旅行、光速飞船变成现实，人们就不会再问“相对论/量子论/探索宇宙有什么用”。
几年前，意大利蒙扎市议会通过了一项法案，禁止宠物的主人把金鱼养在圆形的鱼缸里。提案者解释，因为圆形鱼缸的弯曲面，会让金鱼眼中的“现实”世界变得扭曲，这对金鱼而言太残忍。
这个提案看上去很荒唐对吗？
但在这背后，却有一个哲学和物理学迷思：
金鱼看见的世界与我们看见的不同，我们何以知道我们看到的就是一个“不扭曲”的世界？
我们所感知到的“现实”就一定是真实的么？
以上，就是斯蒂芬·霍金在著作《大设计》中给出的“金鱼缸论证”。
探究黑洞，因为我们并不甘心透过鱼缸看世界。