原創(chuàng) 重慶飛機(jī) 飛機(jī)閑談 6月11日
一直以來(lái)，傳統(tǒng)文化和天文物理學(xué)是我的興趣愛(ài)好，一個(gè)是對(duì)歷史回顧一個(gè)是對(duì)未來(lái)展望。這篇文章早在2019年就打算寫的，正好遇到當(dāng)時(shí)M87黑洞照片發(fā)布，怕有蹭熱度的嫌疑就沒(méi)弄了，這次遇到孩子的興趣課順便做了有關(guān)的課件。本文較PPT版有較大刪減。同學(xué)們，歡迎來(lái)到廣渺無(wú)垠的宇宙世界。今天我們以極為燒腦的方式來(lái)認(rèn)識(shí)宇宙中最為奇妙的一個(gè)天體——黑洞！在我們談?wù)撊魏挝锢碇R(shí)時(shí)，永遠(yuǎn)都繞不開(kāi)一位牛人：偉大的科學(xué)家、科學(xué)巨人牛頓。牛頓小時(shí)候成績(jī)并不是非常出色，但是他善于思考，勤于摸索，最后成為了人類科學(xué)史上最為偉大的物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家，是近現(xiàn)代物理學(xué)的奠基人，我們現(xiàn)在發(fā)展出來(lái)的科學(xué)技術(shù)幾乎都是從牛頓開(kāi)始的。牛頓通過(guò)蘋果落地發(fā)現(xiàn)了“萬(wàn)有引力定律”，這個(gè)定律解釋了人們?yōu)槭裁茨茴^朝上腳朝下生活在地球上，也解釋了月亮為什么圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)不掉在地球上。也解釋了為什么我們?cè)接昧υ侥芴酶?，在空中停留時(shí)間更長(zhǎng)。牛頓當(dāng)年就計(jì)算出，如果我們起跳的速度達(dá)到7.9公里/秒，我們就能圍繞地球旋轉(zhuǎn)。這使得我們圍繞地球旋轉(zhuǎn)而不掉下的最小速度7.9公里/秒就被稱為“第一宇宙速度”，也叫環(huán)繞速度。
實(shí)際上每一個(gè)星球都有自己的“第一宇宙速度”，它實(shí)際上只跟兩樣?xùn)|西有關(guān)（公式中可以看出），就是星球的質(zhì)量和體積有關(guān)。第二宇宙速度就是脫離地球束縛，在太陽(yáng)系內(nèi)運(yùn)動(dòng)，又稱為脫離速度。11.2公里/秒第三宇宙速度就是脫離太陽(yáng)系束縛，進(jìn)入銀河系，又稱為逃逸速度。16.7公里/秒，公式復(fù)雜。之后還會(huì)有第四宇宙速度，就是脫離銀河系進(jìn)入更大的宇宙空間，這個(gè)暫時(shí)無(wú)法計(jì)算，估算550公里/秒。通常兩個(gè)物體之間的萬(wàn)有引力極其微小，我們察覺(jué)不到它，可以不予考慮。比如，兩個(gè)質(zhì)量都是60千克的人，相距0.5米，他們之間的萬(wàn)有引力還不足千萬(wàn)分之一千克力，而一只螞蟻拖動(dòng)細(xì)草梗的力竟是這個(gè)引力的1000倍！但是，天體系統(tǒng)中，由于天體的質(zhì)量很大，萬(wàn)有引力就起著決定性的作用。在天體中質(zhì)量還算很小的地球，對(duì)其他的物體的萬(wàn)有引力已經(jīng)具有巨大的影響，它把人類、大氣和所有地面物體束縛在地球上，它使月球和人造地球衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)而不離去。對(duì)于速度的研究使得200多年前，一位叫拉普拉斯的科學(xué)家突發(fā)奇想：如果一顆星球以超過(guò)光的速度前進(jìn)，那么豈不是星球上的光都跑不出來(lái)了嗎？這就是黑洞第一次猜想。但是他沒(méi)有把這個(gè)想法研究下去。
之前牛頓的物理學(xué)將空間和時(shí)間相獨(dú)立，而100多年后，我們又迎來(lái)了另一位科學(xué)巨匠-愛(ài)因斯坦，他認(rèn)為空間和時(shí)間是關(guān)聯(lián)的，并提出“時(shí)空”的概念：萬(wàn)有引力時(shí)空彎曲的一種表現(xiàn)，而萬(wàn)有引力公式只是時(shí)空彎曲的近似公式（圓面積也是個(gè)近似公式），如果要把時(shí)間、空間、引力、物質(zhì)關(guān)系搞清楚，就必須用到一個(gè)超級(jí)燒腦的公式：愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程（愛(ài)因斯坦很多理論研究都遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于當(dāng)時(shí)的現(xiàn)實(shí)科技，如：高質(zhì)量恒星引起的光線彎曲、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、引力鐘慢、引力紅移、黑洞、引力拖曳效應(yīng)、引力波這些當(dāng)時(shí)大家都沒(méi)認(rèn)識(shí)的現(xiàn)象，最后統(tǒng)統(tǒng)都得到了證實(shí)）。但是，愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程在計(jì)算的初期是使用的直角坐標(biāo)系，只能得出一個(gè)近似解，一個(gè)月后的12月22日，有位德國(guó)科學(xué)家史瓦西（當(dāng)時(shí)在部隊(duì)搞火炮彈道計(jì)算）在計(jì)算愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程時(shí)引入極坐標(biāo)系，得到一個(gè)精確解。史瓦西突然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽(yáng)的半徑縮小到3公里，或者地球半徑縮小到9毫米，那么太陽(yáng)或地球的中心時(shí)空就會(huì)嚴(yán)重完全扭曲，任何東西都不能逃逸，包括“光”。自此，黑洞的理論基礎(chǔ)建立。我們都知道：一顆恒星由壯年走向老年的時(shí)候，它會(huì)燃燒膨脹形成紅巨星。之前由于引力作用，燃燒的恒星會(huì)把它外面燃燒的物質(zhì)緊密拉住，隨著燃燒越來(lái)越膨脹，有一天恒星的外殼張力大于引力時(shí)，恒星會(huì)“嘭”的一聲爆炸，外部向外拋出擴(kuò)散，內(nèi)部因?yàn)橐ρ杆偎菔湛s，那一瞬間亮度和熱度非常非常大，在天空形成“超新星”。（第一次超新星爆炸的記錄在中國(guó)。東漢中平二年乙丑，中國(guó)天文學(xué)家觀測(cè)到超新星，是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一顆超新星。該超新星在夜空中照耀了八個(gè)月。之后西方文獻(xiàn)里也有多次記載）恒星燃燒最終都會(huì)熄滅并收縮，但熄滅后具體什么情況卻不得而知，大多數(shù)會(huì)認(rèn)為，熄滅后的恒星會(huì)留下比較致密的殘骸——白矮星，密度每立方厘米幾十噸。白矮星雖然發(fā)光比恒星暗，但畢竟肉眼可見(jiàn)，很早就被發(fā)現(xiàn)了（1783年），而且目前被發(fā)現(xiàn)了1000多顆。但是，如果恒星質(zhì)量足夠大，那么引力足夠大，那么內(nèi)部塌陷收縮會(huì)到什么程度呢？或者大到什么程度內(nèi)部才能收縮塌陷呢？1930年，一名名叫錢德拉賽卡的20歲印度學(xué)生（因此獲得1983年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）去英國(guó)讀大學(xué)學(xué)習(xí)天文物理學(xué)，拜師當(dāng)時(shí)的科學(xué)巨星愛(ài)丁頓爵士。那時(shí)候從印度去英國(guó)只能坐船，路途幾個(gè)月，一路上他無(wú)聊開(kāi)始計(jì)算愛(ài)因斯坦的研究成果，最后得出一個(gè)驚人發(fā)現(xiàn)，就是當(dāng)恒星質(zhì)量大于某一個(gè)極限值（錢德拉塞卡極限，約為太陽(yáng)質(zhì)量的1.44倍）的情況下熄滅后，會(huì)向恒星內(nèi)部繼續(xù)收縮，原子核的電子會(huì)被壓縮進(jìn)電子核，與質(zhì)子形成中子（中子星，1967年被觀測(cè)到，密度每立方里面上億噸），甚至繼續(xù)壓縮，甚至壓縮到極限，無(wú)窮趨近于零，，，，，，題外：其實(shí)電子與原子核有著廣袤的空間，假設(shè)說(shuō)原子核是一個(gè)足球大小的物體，那么電子的軌道則在足球場(chǎng)的邊緣。宇宙中的怪獸，黑洞終于出現(xiàn)，，，，，，，，，黑洞其實(shí)是肉眼無(wú)法觀測(cè)到的，最初它是通過(guò)包括之間介紹的科學(xué)家的理論依據(jù)計(jì)算出來(lái)的或者說(shuō)猜想出來(lái)的。直到2019年4月10日，由分布在全球八個(gè)天文觀測(cè)點(diǎn)組成的一個(gè)超級(jí)無(wú)比巨大的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，終于以多種聯(lián)合觀測(cè)手段，拍到了第一張黑洞照片，它是位于室女座a中心的M87超大質(zhì)量黑洞，距離地球大約5300萬(wàn)光年，其質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的64億倍，體積為太陽(yáng)體積的680萬(wàn)倍。其實(shí)，黑洞的核心物質(zhì)可能就是一個(gè)質(zhì)量無(wú)窮大、體積無(wú)窮小的點(diǎn)（奇點(diǎn)）。這個(gè)點(diǎn)能無(wú)窮的彎曲時(shí)空，形成一個(gè)漏斗似的時(shí)空結(jié)構(gòu)。所有進(jìn)過(guò)這個(gè)點(diǎn)的物質(zhì)，統(tǒng)統(tǒng)會(huì)被強(qiáng)大的引力吸引過(guò)去，甚至連光都逃不掉它的束縛，形成廣義上說(shuō)的黑洞。所以我們所說(shuō)的黑洞，是指之前所說(shuō)的史瓦西計(jì)算出來(lái)的光不可逃逸區(qū)。史瓦西半徑之外，光就能逃脫，只不過(guò)會(huì)被彎曲，呈一個(gè)弧線，形成雙層影像，這就是引力造成的引力透鏡。黑洞的最典型特點(diǎn)：它是一個(gè)極度貪吃的怪獸，會(huì)毫不留情的吞下所有路過(guò)它的物質(zhì)（光以事件視界為邊界）。路過(guò)它的星球，也會(huì)被它毫不留情的撕裂，原子結(jié)構(gòu)不斷壓縮，最后吸入奇點(diǎn)，變得無(wú)窮小，在那里我們所有的物理知識(shí)會(huì)蕩然無(wú)存，我們對(duì)奇點(diǎn)沒(méi)有任何認(rèn)識(shí)和理解。
黑洞會(huì)發(fā)光，因?yàn)楹诙床粩辔胛镔|(zhì)，物質(zhì)在被吸入過(guò)程中圍繞著奇點(diǎn)高速旋轉(zhuǎn)下會(huì)摩擦，發(fā)光發(fā)熱，成為“吸積”；在黑洞的吸積盤內(nèi)，物體被引力“撕碎”的微觀粒子運(yùn)動(dòng)速度肯定不盡相同，那么在墜落的過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生相互碰撞和摩擦，從而使得亞原子的內(nèi)動(dòng)迅速提升，一部分以高能射線（比如伽馬射線、X射線）激發(fā)出去，成為“噴流”。這也是我們間接觀測(cè)到黑洞的方法之一。黑洞存在著什么意義？科幻電影《星際穿越》給出了解釋：一、黑洞彎曲了空間，制造了蟲洞，使庫(kù)珀能隨意穿行到宇宙任何地方，原本花很多時(shí)間現(xiàn)在很快就到了。二、黑洞彎曲了維度，使得庫(kù)珀進(jìn)入五維空間，給女兒用摩斯密碼傳遞信號(hào)。我們是三維生物，以XYZ定位的空間里生活，如果我們給這三維空間加上T（time）的時(shí)間軸，把三維視作一個(gè)整體在T軸上運(yùn)動(dòng)，那么我們能看到整個(gè)時(shí)間軸上任意時(shí)刻發(fā)生的事件；如果我們?cè)僖运木S為整體，再加上一個(gè)維度，那么我們可以在任意時(shí)間點(diǎn)上移動(dòng)，去改變事件發(fā)生，自然改變事件的結(jié)果，這就是我們所說(shuō)的“改變未來(lái)”。（再繼續(xù)加維度我就想象不出來(lái)了）三、黑洞使時(shí)間變慢，庫(kù)珀在事件發(fā)生時(shí)自己不老而女兒長(zhǎng)大；回來(lái)比自己未老而女兒已經(jīng)衰老不堪，這就是因?yàn)楹诙磁で藭r(shí)間，使得兩個(gè)人的時(shí)間不同。實(shí)際上實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行的人是存在的，俄羅斯宇航員“克立可利”以3萬(wàn)公里/小時(shí)的速度飛行了803天，他的時(shí)間就比地球人時(shí)間滿了1/48秒。這個(gè)情況一般情況下感受不到，但是速度再快點(diǎn)就有明顯區(qū)別了。黑洞簡(jiǎn)單聊在這里，我們談?wù)剬W(xué)習(xí)的意義。
從時(shí)間軸看：我們宇宙的年齡138.2億年，我們地球的年齡是45.5億年，人類誕生不超過(guò)400萬(wàn)年，而人類文明5000年左右，現(xiàn)代科技如果從哥白尼算起，也沒(méi)超過(guò)500年（地球年齡的1/910萬(wàn)）。如果宇宙的存在的時(shí)間我們按一年來(lái)計(jì)算，每小時(shí)3600秒，每年就是31536000，那現(xiàn)代科技出現(xiàn)的時(shí)間也就不過(guò)在最后的3.4654秒！9月25日地球單細(xì)胞生命出現(xiàn)；12月30日人類的祖先靈長(zhǎng)類動(dòng)物出現(xiàn)；12月31日23:59:46秒秦始皇統(tǒng)一中國(guó)；12月31日23:59:56.5秒，才進(jìn)入哥白尼時(shí)代的現(xiàn)代科技；23:59:59.7秒中華人民共和國(guó)誕生。從萊特兄弟的第一架飛機(jī)上天到今天奔向太空也一百年多一點(diǎn)。黑洞看起來(lái)有那么恐怖，把它放在我們45.5億年的時(shí)間里，也不算什么，正如萊特兄弟飛機(jī)上天時(shí)他們無(wú)法預(yù)測(cè)今天的宇宙飛船一樣，今天的人類也不知道一百年后的科技會(huì)發(fā)達(dá)到什么地步，科技的進(jìn)步不斷的提高人類的生活，保障著人類的安全，100年后，我們可能能控制太陽(yáng)的發(fā)光發(fā)熱，可能穿行在銀行系、廣袤無(wú)垠的宇宙空間，可能利用黑洞的強(qiáng)大能量給我們供電、供暖，那1000年后，10000年后，甚至更長(zhǎng)時(shí)間后呢？
這么多希望和期盼，就是我們?nèi)祟悓W(xué)習(xí)的意義。從空間軸看：我們以前學(xué)習(xí)的書籍中將把太陽(yáng)系的八大行星全部畫進(jìn)去，其實(shí)距離比例是不對(duì)的。因?yàn)榘幢壤嫑](méi)有一本書能畫完。
實(shí)際比例是：科學(xué)家把地球到太陽(yáng)的距離設(shè)定為一個(gè)天文年（距離長(zhǎng)度），假設(shè)我們理解為地球到太陽(yáng)為1米，那么土星到太陽(yáng)就是10米了，太陽(yáng)系的最外側(cè)奧爾特云從1000米起到10000米止，也就是說(shuō)太陽(yáng)系的邊緣在10公里外了。1990年2月14日，當(dāng)旅行者1號(hào)探測(cè)器越過(guò)太陽(yáng)系的八大行星，正朝著太陽(yáng)系外飛奔而去時(shí)，卡爾·薩根費(fèi)盡九牛二虎之力說(shuō)服了NASA，讓旅行者1號(hào)調(diào)轉(zhuǎn)相機(jī)，最后回望一眼自己的家園。當(dāng)時(shí)，旅行者1號(hào)在64億千米（冥王星位置）之外創(chuàng)紀(jì)錄地為地球上的萬(wàn)物生靈拍下了一張?zhí)厥獾娜腋！?/span>右下角是卡西尼號(hào)于于2017年在土星附近（17億公里）拍攝的地球照片。
那么太陽(yáng)系又僅僅是銀行系億萬(wàn)顆恒星系的一個(gè)（銀河系中央有個(gè)超大型黑洞），銀河系又是浩渺宇宙中一個(gè)微不足道的點(diǎn)，，，，，，，，這么多疑問(wèn)和未知，就是我們?nèi)祟悓W(xué)習(xí)的意義。讓我們記住這些研究理論的物理學(xué)家，他們?yōu)槿祟惪萍嫉於嘶A(chǔ)，我們今天所有的一切都是建立在他們提供的理論之上。
好奇、專注、誠(chéng)實(shí)、持續(xù)，是科學(xué)研究、學(xué)習(xí)工作進(jìn)步的動(dòng)力。
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