我們先從對(duì)黑洞最樸素的理解開(kāi)始,一點(diǎn)一點(diǎn)走進(jìn)真實(shí)的黑洞。
牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律,他解釋了為什么地球上的每一個(gè)人,都覺(jué)得自己是頭朝上腳朝下,,也解釋了月亮為什么不會(huì)掉到地面上。
我們每一個(gè)人都受到來(lái)自地球的吸引力,但這個(gè)吸引力其實(shí)并不是那么強(qiáng)大,我們只要雙腳一用力,就能跳起來(lái),短暫地對(duì)抗地心引力。
起跳的初速度越大,我們就能蹦得越高,在空中停留的時(shí)間也越長(zhǎng)。
當(dāng)年牛頓就計(jì)算出來(lái),如果我們起跳的速度達(dá)到了 7.9 公里/秒的話(huà),那么,我們就永遠(yuǎn)也不會(huì)掉回地球了,我們會(huì)成為地球的一顆衛(wèi)星繞著地球轉(zhuǎn),就像月亮那樣。
而這個(gè) 7.9 公里/秒的速度,就被稱(chēng)為“第一宇宙速度”,也叫“環(huán)繞速度”。
就是要從地球表面發(fā)射,成為一顆環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星所需要的最小速度。
理論上來(lái)說(shuō),任何星球都有屬于自己的環(huán)繞速度。
那這個(gè) 7.9 公里/秒的數(shù)值,到底是怎么計(jì)算出來(lái)的呢?
實(shí)際上,這個(gè)數(shù)值是根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力定律的公式推導(dǎo)出來(lái)的,它只跟兩樣?xùn)|西有關(guān),那就是星球的質(zhì)量和體積。
與我們自己本身有多重沒(méi)有關(guān)系。
環(huán)繞速度與星球的質(zhì)量成正比,與體積成反比,太陽(yáng)的質(zhì)量和體積都要比地球大得多,太陽(yáng)的環(huán)繞速度是 220 公里/秒。
當(dāng)然,這個(gè)速度是相對(duì)于太陽(yáng)的速度來(lái)說(shuō)的,而不是相對(duì)于地球的速度,這個(gè)數(shù)值就比地球的環(huán)繞速度的數(shù)值大了很多。
這些知識(shí),人類(lèi)在牛頓時(shí)代就已經(jīng)搞得清清楚楚了。
大約 200 多年前,有一位叫拉普拉斯的天體物理學(xué)家,他有一天就突發(fā)奇想。
他想,假如有一個(gè)天體的環(huán)繞速度超過(guò)了光速,那么,豈不是連光都無(wú)法從這個(gè)天體上跑出來(lái)了嗎?那這個(gè)天體豈不是變成全黑的了嗎?
他還動(dòng)手大致算了算,他算出來(lái),太陽(yáng)的半徑如果縮小到只有 3 公里,那就意味著體積要縮小萬(wàn)萬(wàn)億倍,它就會(huì)成為這樣一顆不發(fā)光的恒星。
但拉普拉斯僅僅只是隨便想了想,并沒(méi)有深究,他不認(rèn)為宇宙中會(huì)有這樣的恒星存在,只是一種純粹的數(shù)學(xué)計(jì)算罷了。
后來(lái),他又知道了光是一種波,而不是由一個(gè)一個(gè)有質(zhì)量的微粒構(gòu)成的。所以,拉普拉斯就更覺(jué)得自己是胡思亂想了。
用拉普拉斯的這種想法來(lái)理解黑洞,是一種最樸素的方法,也是大多數(shù)人能夠理解到的層次。但是,這卻并不是對(duì)黑洞的正確理解。
接下來(lái),我要給你們講一些高級(jí)貨。
拉普拉斯之后,光陰如梭,一晃就是 100 多年過(guò)去了,時(shí)間到了 1915 年。
愛(ài)因斯坦大神把人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí),推進(jìn)到了一個(gè)遠(yuǎn)超牛頓的境界。
大神告訴人們,萬(wàn)有引力只是時(shí)空彎曲的一種表現(xiàn)形式罷了,牛頓的萬(wàn)有引力只是對(duì)時(shí)空彎曲本質(zhì)的一個(gè)近似公式,如果太陽(yáng)的半徑真的縮小到了只有 3 公里,那萬(wàn)有引力公式就不適用了。
要真正把時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)、引力這些東西的相互關(guān)系給搞清楚,那就必須要用到一個(gè)超級(jí)燒腦的方程式。
這就是愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程,愛(ài)因斯坦的理論就是大名鼎鼎的相對(duì)論。
1915 年,正值第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期,在德國(guó)和俄國(guó)交戰(zhàn)的前線(xiàn),有一位年輕的德國(guó)炮兵上尉,他的名字叫史瓦西。
他看到了愛(ài)因斯坦那個(gè)超級(jí)燒腦的方程式后,本能地就愛(ài)上了它。
當(dāng)其他物理學(xué)家還在質(zhì)疑這個(gè)方程的時(shí)候,史瓦西已經(jīng)開(kāi)始了默默的計(jì)算,他花了很長(zhǎng)的時(shí)間,終于找到了愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)特殊解。
他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的情況,這個(gè)情況和拉普拉斯當(dāng)年發(fā)現(xiàn)的情況,有著異曲同工之處。
史瓦西根據(jù)相對(duì)論計(jì)算出來(lái),如果把太陽(yáng)壓縮到半徑 3 公里,或者把地球壓縮到只有一個(gè)巧克力豆那么大,這時(shí)候,在地球或者太陽(yáng)中心點(diǎn)的時(shí)空就會(huì)被彎曲到無(wú)窮大,就好像時(shí)間和空間在這個(gè)地方打了一個(gè)結(jié),沒(méi)有任何東西能夠從它們的表面逃脫,連光也不例外。
這倒不是因?yàn)楣馑傩∮诃h(huán)繞速度,其實(shí),在這種情況下,已經(jīng)不存在環(huán)繞速度的概念了,而是因?yàn)闀r(shí)空在這個(gè)地方被彎曲成了一個(gè)深深的洞,光掉進(jìn)去了就再也找不到出口了,事實(shí)上,根本也不存在出口。
后來(lái),科學(xué)家們就把這樣一種奇怪的天體稱(chēng)作“黑洞”。
因此,黑洞實(shí)際上不是一個(gè)洞,在天文學(xué)上,它是一個(gè)有質(zhì)量的天體。
黑洞是我們這個(gè)宇宙中已知的最奇怪的一種天體,我們永遠(yuǎn)也無(wú)法看到黑洞里面的樣子,因?yàn)樵谀抢锩?,時(shí)間和空間已經(jīng)打成了一個(gè)結(jié)。
也可以說(shuō),時(shí)間和空間都不復(fù)存在了。
黑洞就像宇宙中的一個(gè)吸塵器,不斷地吞食著一切靠近它的物質(zhì),而且吞進(jìn)去了就別再想跑出來(lái)。
實(shí)際上,黑洞比你想象的還要怪異。
所謂黑洞的大小,只是黑洞的中心到邊界的大小,在那個(gè)黑乎乎的區(qū)域中,其實(shí)也是空無(wú)一物的。
那你可能要感到奇怪了,物質(zhì)都跑到哪里去了呢?
其實(shí),我上面說(shuō)把地球壓縮到一個(gè)巧克力豆那么大,真實(shí)的情況是,一旦當(dāng)?shù)厍虮粔嚎s到巧克力豆那么大的時(shí)候,就沒(méi)有任何力量能夠阻止地球繼續(xù)收縮了,只留下一個(gè)黑洞洞的外殼。
那么,地球上的物質(zhì)到底跑到哪里去了呢?
我只知道它們會(huì)一直一直收縮下去,永遠(yuǎn)也停不下來(lái),那你一定要讓我告訴你到底最后會(huì)怎么樣,我也只能回答你:對(duì)不起,我想到一半就已經(jīng)昏迷不醒了,我求你別問(wèn)了。
如果你去問(wèn)科學(xué)家,他們可能會(huì)這樣回答你,這些物質(zhì)最后都會(huì)收縮成一個(gè)非常非常奇怪的點(diǎn),我們把這個(gè)點(diǎn)叫“奇點(diǎn)”,哎呀,年輕人,等你長(zhǎng)大了就明白了。
好吧,其實(shí)我現(xiàn)在都長(zhǎng)這么大了,也還是想不明白。
正因?yàn)檫@樣,當(dāng)黑洞剛剛被提出來(lái)的時(shí)候,幾乎沒(méi)有人相信宇宙中真的會(huì)有這樣奇怪的天體。
后來(lái),著名的物理學(xué)家霍金和別人一起發(fā)現(xiàn),似乎宇宙中出現(xiàn)這樣的一種奇怪天體是不可避免的。
隨著相對(duì)論被一個(gè)又一個(gè)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí),這就更加堅(jiān)定了科學(xué)家們的信念。
但是,科學(xué)精神有一條非常重要的原則,那就是,非同尋常的主張需要非同尋常的證據(jù)。
黑洞顯然是一個(gè)非同尋常的主張,那就必須要有非同尋常的證據(jù),要最終證明黑洞的存在,必須要找到天文觀測(cè)的證據(jù)。
于是,天文學(xué)家們就開(kāi)始了艱苦卓絕的努力。
在幾十年以前,黑洞的真實(shí)性一直是天文學(xué)中最大的未解之謎,直到上世紀(jì)七十年代,天文學(xué)家們才普遍猜測(cè),有一個(gè)過(guò)去一直搞不明白的奇怪天體,很有可能就是黑洞。
這個(gè)天體距離地球大約 6000 光年,放出非常強(qiáng)烈的 X 光。
你可能會(huì)奇怪,不是說(shuō)黑洞不發(fā)光嗎,怎么又會(huì)放出強(qiáng)烈的 X 光呢?
這是因?yàn)槲镔|(zhì)在向黑洞的墜落過(guò)程中,會(huì)形成一個(gè)圍繞著黑洞的大漩渦,這被叫做吸積盤(pán)。
因此,X 光不是黑洞發(fā)出來(lái)的,而是吸積盤(pán)中的氣體高速摩擦發(fā)出來(lái)的。
這些 X 光可以看成是黑洞存在的間接證據(jù),但并不是直接證據(jù),但即便是這樣的間接證據(jù)也是很罕見(jiàn)的。
我能查到的公開(kāi)資料顯示,截止到 2007 年,天文學(xué)家們努力了半個(gè)多世紀(jì),也僅僅只是找到了 17 個(gè)黑洞候選者。
第一份黑洞存在的直接證據(jù),一直到 2015 年 9 月 14 日才出現(xiàn)。
那一天,位于美國(guó)漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓的,兩臺(tái)引力波探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到了一個(gè)引力波信號(hào),經(jīng)過(guò) 8 個(gè)月的分析論證后,在 2016 年 6 月 16 日清晨,美國(guó)科學(xué)家正式向全世界宣布,這個(gè)持續(xù)了僅僅不到 2 秒的引力波信號(hào),正是兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號(hào),在茫茫宇宙中穿行了 13 億年才抵達(dá)地球,恰好被人類(lèi)捕捉到。
從黑洞存在之謎被提出到解決,恰好過(guò)去了 100 年,但是人類(lèi)對(duì)黑洞的研究其實(shí)才剛剛起步。
因?yàn)榭茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn),關(guān)于黑洞,還有更多的未解之謎等待著我們?nèi)ソ獯稹?/p>
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