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黑洞有多大 科学家近一个世纪的争论

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发表于 2017-2-19 15:41:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
  奥本海默是否已坠入黑洞?从目前许多关于宇宙学的书籍来看,可能是这样。这些书的索引中都没有出现奥本海默的名字,而且书里围绕黑洞所进行的冗长而复杂理论讨论中也没提到他。然而,正是这位伟大的美国物理学家,首先想象着这些非常奇怪的宇宙实体,把它们看成爱因斯坦相对论不可避免的产物。如今的人们更多地知道的是,奥本海默是洛斯·阿拉莫斯研究组的头,投到广岛和长崎的原子弹就是他们造出的。1938年末,奥本海默和沃尔科夫已完成了关于中子星质量和周长的计算。



  这项工作使奥本海默确信,质量大的中子星在死亡时会发生向心爆炸。这种向心爆炸的结果是什么呢?奥本海默获得了他在加州技术学院的研究生斯奈德的帮助,以解决其中出现的数学方程。斯奈德是一名优秀的学生,具有独立思考的精神。

黑洞有多大 科学家近一个世纪的争论44 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22502,72216


  作为当今黑洞领域最重要的专家之一,索恩在他1994年的《黑洞和时间扭曲》一书中就详细地讨论了奥本海默的工作。具有讽刺意味的是,索恩是奥本海默的主要对手之一惠勒的学生。索恩注意到,斯奈德在奥本海默和托尔曼指导下所作的计算难得可怕。


  问题中的有些方面直到20世纪80年代出现超级计算机之后才可能获得解决。“为取得一丝一毫的进展”,索恩写道,“给向心爆炸的恒星建立一个理想模型非常必要,然后对由模型的物理规律所做出的预测进行计算”。


  在索恩看来,斯奈德施展着绝技,建立了适用的方程,然后解决了它们。仔细研究这些公式,物理学家能得到他们所希望看到的向心爆炸的各方面性质,从恒星外看情况如何,从恒星内看如何,从恒星表面看如何,等等。


  许多物理学家发现,这些方程让人难以理解。问题在于,从外部参考系来看,向心爆炸在到达某一点时会永远冻结住;而一个在向心爆炸时被向内带的恒星表面上的观察者看来,则似乎根本不会出现冻结。由于观察点不同,人们发现,一个恒星能同时做两件完全不同的事。这需用以前从未考虑过的时间扭曲来加以解释。是的,爱因斯坦曾提出过时间扭曲。是的,量子理论和海森伯不确定原理指出观测行为会对被观测的东西产生影响,但那是在亚原子尺度上。这些在大多数美国物理学家看来有点离题太远。




  事实上,在奥本海默、斯奈德1939年的文章之前就有人做了这方面的研究。在那11年前,年轻的物理学家钱德拉塞卡就已经从理论上得出,恒星的核如果大于太阳尺寸的1.4倍,它将不会变成我们通常观察到的白矮星;相反,它们会因自身引力而继续坍缩。朗道,一个具有传奇色彩的苏联物理学家,几乎同时得到这一结论。他与钱德拉塞卡因在这一领域的开创工作而共享1983年诺贝尔物理学奖。


黑洞有多大 科学家近一个世纪的争论99 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22502,72216


  注意,这之间存在一个时间差。如果一位科学家要等上55年才获得一个诺贝尔奖,那么这就表明他的工作超前于他所处的时代。1928年,物理学界的一位巨头,曾在1919年观测日食而确证爱因斯坦相对论所预言的空间扭曲的爱丁顿爵士,就对钱德拉塞卡的理论大为光火。“应该存在一条自然规律以制止恒星以如此荒唐的方式演变”,他喊道。


  奥本海默和斯奈德的文章从惠勒和其他美国物理学家那里得到了几乎相同的对待。事情因第二次世界大战的开始而暂时停了下来。美国物理学家开始加入到原子弹的制造之申。

  战后,虽然奥本海默和惠勒有段时间都在普林斯顿高等研究院工作,但他们之间的矛盾已影响到了他们的私人关系。当奥本海默首先从实用和伦理角度反对发展氢弹时,惠勒又成为对立阵营的主角。惠勒成为氢弹的主要设计者之一。奥本海默对氢弹的反对使他在麦卡锡主义流行的20世纪50年代深受影响,甚至人身安全都存在问题。尽管不忠于国家的指控从未得到证实,但这些浪费了他大量的精力,使他远离了关于黑洞的讨论。另一个原因是,惠勒在黑洞这个问题上完全转变了观点。


  惠勒的转变是如此彻底,以致他于1969年给出了黑洞这个名词,并成为这一领域最重要的理论学家之一,完全超过了他的老对手奥本海默的贡献。
  电视系列片《星际旅行》中的一段情节就是根据这一现象而写的。《星际旅行的物理学》一书的作者克劳斯写道:“当我为准备写这本书而看到这一情节时,我发现非常有趣的是《星际旅行》的剧作者写错了。现在我意识到他们几乎发明了这个名词。”系列片的剧作者用的词是“黑星”。


  《星际旅行》使公众着迷于黑洞这个概念。这种着迷也部分因为惠勒所想出来的名字,它能激发出巨大的神秘感,而且还出现在有关日常生活中麻烦的玩笑之中。公众从未对像白矮星、中子星这些重要的恒星产生兴趣,而黑洞则像彗星一样吸引住了公众的注意力。很奇怪,顶尖的物理学家已为黑洞这一问题苦思翼想了60年,并且仍在继续着。事实上,公众对黑洞的关注是因为我们很难解释它,这使黑洞成为我们知识的空白,促使每个人都能自由地发挥他们的想象。


  许多黑洞的定义都集中在说明它的引力场非常强,以致任何东西甚至光都无法逃离它。索恩走得更远。虽然他的书出版于1994年,先于天文学家开始验证黑洞是否确实存在了好几年,索恩已处于黑洞理论研究的前列。即便是索恩都非常谨慎,因为他有关黑洞的计算导出了更奇怪的结论。


  让我们问一个简单的问题:黑洞有多大?


  理论上,任何东西都能变成一个黑洞。比如,一颗恒星,一颗卫星,帝国大厦,一头大象,你,或者我,只要有足够的力施加到这个物体上,把它压缩至它的引力场强到可以使空间弯曲、俘获光,这样它就变成了一个黑洞。你和我都将变成一个小黑洞,只要我们只有一个电子的十亿分之一大。如果要使地球变成一个黑洞,那么地球就必须比乒乓球还要小。如果要使太阳成为一个黑洞,其半径将只有2.4公里。

黑洞有多大 科学家近一个世纪的争论65 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22502,72216

  实际上,太阳不会变成黑洞,你和我也不会。我们都没有大到可以成为黑洞,而有些恒星大到不可避免地会变成黑洞。正如费里斯在《全部家当》中解释的那样,“每颗健康的恒星都代表两种相反力的平衡。引力要使恒星坍缩。恒星的核产生的向外热辐射,使恒星向外扩张。在向内的引力和向外的热辐射的作用下,处于平衡状态的恒星会有规律地跳动。跳动的脉搏由一种美妙的反馈机制来调节。”这种热和引力间的反馈机制能使恒星燃烧很长时间,对于太阳这将是100亿年,这是太阳寿命的一半。恒星核中的核燃料维持着这种反馈机制,它的燃烧率与恒星质量的立方成正比。这样,如果一个恒星的质量是太阳质量的10倍,那么它的燃烧率就是太阳的1000倍,燃烧得更明亮,但也更短。对于任何尺寸的恒星,只要热和引力之间的平衡被打破,坍缩就将是不可避免的了。


  尺寸像太阳那么大或质量只有太阳质量5/7的恒星将变成白矮星。白矮星大小如地球,却具有太阳那么大的质量,它将不再坍缩,因为量子力学中的泡利不相容原理在起作用,电子防止了恒星密度的增加。更大的恒星将坍缩得更厉害,常缩小到直径只有16.1公里,它们被称为“中子星”,因为它们的核是由电中性的亚原子粒子组成的。中子星旋转得非常快,能达到1000周/秒,如果它们还有一个磁场的话,那么它们将产生很强而又短促的无线电波束,这使它们得到了“脉冲星”的名称。

  更大的恒星可能具有很大的质量,以致它们演化成的白矮星或中子星会继续坍缩下去,这样就将形成黑洞。任何物体包括光,都逃不脱黑洞的吸引,只要它们离黑洞的视界足够接近,它们就会被吞噬。支配宇宙的正常的引力规律在视界处转变为支配黑洞的规律。


  黑洞是这样一个奇点,在其内部区域特殊的规律起着作用。已有许多不同的理论尝试着详细说明黑洞内部所发生的一切。甚至连好莱坞都参与其中,这在迪斯尼公司1979年的电影《黑洞》中有所表现。虽然这部电影视觉上非常壮观,但却傻得可爱。一些宇宙学家认为,任何掉入黑洞的物体将被拉长,像面条一样,而另一些人则想象着通过黑洞旅行到另一个不同世界的可能性。许多聪明的人为此做了无数的计算,但遗憾的是,还没有人真正知道将发生什么。考虑到宇宙大爆炸理论的某些方面,我们所面对的奇点为描述黑洞提供了一些线索。不管对黑洞的数学描述有多么精致,它只是一个想象的现实。


  自惠勒转而支持黑洞这个想法以来,无数的宇宙学家尽力想弄懂这些奇怪的星体的本性。20世纪七八十年代,直到90年代,关于黑洞的理论层出不穷,引起争论不断。有关的理论很多了,但却存在一个问题:人们还未观测到黑洞。


  天文学家观测黑洞存在一个固有的问题。从黑洞的定义可知,它们不能被观测到,只能从它们周围的其他恒星和星系的表现来推断黑洞的存在。随着1994年对哈勃望远镜的修复和X射线望远镜的发展,人们不断进行观测,积累有用的信息。

  20世纪90年代后半期和2000年的开头,根据记录的数据许多有关黑洞的预言都被证实。在过去的几年中,几乎所有的宇宙学家都认为我们已拥有了证明黑洞存在的证据。然而事情常常是这样的,当不断获得新的信息时,它在解决问题的同时也不断地带来新的问题。

  自1974年天鹅座X-1被普遍认为是黑洞的最佳候选者以来,天文学家就一直在这方面不懈地努力着。天鹅座X-1是一个由两颗恒星组成的双星系统,这样的系统在宇宙中很常见,但天鹅座X-1的特别之处在于:用光学手段进行观测时,一颗恒星很亮,但用X射线进行观测时就变得很暗了;另一颗正好相反,光学观测时很暗,X射线观测时就很“亮”。
  前一颗恒星看来在绕后一颗旋转。利用数学公式,会发现那颗暗星太重,不会是中子星,非常可能是一个黑洞。


  20世纪80年代中期,天文学家收集了大量有关天鹅座X-1的信息,致使索恩和霍金为它是不是黑洞而打赌。如果是黑洞,霍金要为索恩订杂志《雨篷》;如果不是黑洞,索恩要为霍金订讽刺杂志《个人观点》。

  到1990年,增加的证据使索恩认为,他有95%的机会是对的,但他并不希望霍金认输。然而,索恩还是写道:“1990年6月的一个深夜,当我在莫斯科与同事进行研究时,霍金及其随从闯进了我在加州理工的办公室,找到了打赌的凭证,写了一个认输的便条,并加盖了霍金的拇指印。”

  天鹅座X-1是黑洞这一结论,既有从哈勃望远镜得到的光学观测证据,也有X射线观测证据。其他的新信息更具有挑战性。正如一些天文学家所预言的,20世纪90年代后期的观测证据表明存在两种不同的黑洞。

  科学家正在找的不光是具有天鹅座X-1这样典型双星系统质量的黑洞,还包括质量为10亿倍太阳质量的黑洞。这样的超级黑洞不断在星系中心被发现,到2001年为止已发现了30个。这些都是通过测量黑洞周围被黑洞所吞噬的高速旋转气体的速度得到的。

  结果表明,星系越大,其中心的黑洞就越大。并且,这些超级黑洞好像只存在于椭圆状星系的中心,而且星系中心有一个致密的恒星群突起,没有中心突起的星系则没有黑洞。银河系有一个相对较小的中心突起,它有黑洞,但黑洞的质量只有几个太阳那么大。不管黑洞很大,还是相对较小,从所观测到的数据来看,黑洞的质量只相当于星系中心突起部分质量的0.2%。

  宇宙学家检验着这些证据,并越来越确信黑洞可能是形成它周围星系的种子。在一个小组发现了三个超级黑洞后,小组的领导、密歇根大学的里奇斯通于2000年1月说道:“不知何故,这些黑洞在决定它们的质量时,它们似乎知道它们所处的星系的质量;或者,当星系正在形成时,它知道它周围黑洞的质量。”在量子层次上,人们早就认识到电子能知道彼此在做些什么,但在星系尺度上发生这种情况同样使宇宙学家感到既神秘又兴奋。现在,这就是一个先有鸡还是先有蛋式的争论:是先有星系还是先有黑洞呢?有些科学家认为先有黑洞,另一些科学家则认为它们是交错发展的。

  回到1939年,奥本海默和斯奈德发表文章表明存在黑洞时,受到了其他宇宙学家的嘲笑。渐渐地,越来越多的科学家开始认为确实存在黑洞。但直到20世纪90年代后期,哈勃望远镜才开始清晰地观测星系,确定黑洞的存在。然而,黑洞仅仅是刚刚开始透露它们的秘密,与此同时它们又在增加新的秘密。它们是揭开宇宙如何工作之谜的钥匙,在以后相当长的一段时间内,它们所带来的答案会跟它们所产生的复杂问题一样多。

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发表于 2017-4-13 14:27:03 | 显示全部楼层
黑洞就是一个扭曲的空间。。。
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