牛頓、愛因斯坦錯過的“黑洞”理論,卻被他在戰壕裡計算出來了!

今天晚上 9:00 ,我們有幸成為地球 46 億年曆史裡首批看見黑洞的生物,可以說是實實在在見證了歷史!

牛頓、愛因斯坦錯過的“黑洞”理論,卻被他在戰壕裡計算出來了!

這是由事件視界望遠鏡(EHT)成功獲得的超大黑洞的第一個直接視覺證據,它是用望遠鏡矩陣直接長時間曝光拍攝了10天,經過長達1年的背景音去除等工作獲得的,是首次直接觀測到的,對於未來黑洞與星系的演化,以及對於黑洞更深層次的理解都有著極為重要的意義,也有力地反擊了一些質疑黑洞存在的科學家。

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事件視界望遠鏡並不是一個傳統觀念的觀測平臺,而是由位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極的天線組成觀測陣列,它主要負責對銀河系中央的人馬座A *黑洞進行觀測,捕捉黑洞周圍環境的清晰圖像。

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該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系Messier 87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。

黑洞是宇宙空間內存在的一種天體,如果一顆恆星的質量是我們太陽的10~50倍,即便它成為了中子星,引力仍然會繼續壓縮它,沒有了聚變力來抵抗引力的拉拽,就無法阻止這顆恆星的最終坍縮,它就成了著名的“黑洞”。

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黑洞的引力很大,使得視界內的逃逸速度大於光速。“黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體”。黑洞無法直接觀測,但可以藉由間接方式得知其存在與質量,並且觀測到它對其他事物的影響。藉由物體被吸入之前的因高熱而放出和γ射線的“邊緣訊息”,可以獲取黑洞存在的訊息。推測出黑洞的存在也可藉由間接觀測恆星或星際雲氣團繞行軌跡取得位置以及質量。

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既然此前從未有人觀測到黑洞,這種特殊的天體是如何被人家所知的呢?

熟悉物理的人應該都知道,是愛因斯坦的相對論預知了這種天體的存在,然而雖然愛因斯坦的相對論預知了黑洞的存在,可是計算出有“黑洞”天體存在的卻並非是愛因斯坦!

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其實在愛因斯坦之前,還有人曾無限接近獲悉到有“黑洞”的存在!

我們知道,所有的天體都有一個所謂的逃逸速度——即永久逃離這個天體引力所必須具有的最小速度。譬如,航天飛船要脫離地球,那麼它的初速度就要大於地球的逃逸速度即11.2公里/秒。逃逸速度取決於星球的質量。如果一個星球的質量大,其引力就強,逃逸速度值就高。反之一個較輕的星球將會有較小的逃逸速度。逃逸速度還取決於物體與星球中心的距離。距離越近,逃逸速度越大。地球的逃逸速度是11.2公里/秒,太陽的逃逸速度為617.7公里/秒。而我們知道光速是299792458 m/s,遠遠小於黑洞的逃逸速度,所以光也沒有辦法走出黑洞!

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逃逸速度的計算依據正是牛頓的萬有引力定律,這個定律事實上給出了逃逸速度與恆星質量之間的精確關係,正是因為科學家知道了逃逸速度的存在,才能製造出航天器,從而飛出地球。但牛頓因為時代的限制,但是的數學計算方法還不完善,最終沒能夠對他的引力方程進一步深入延伸至大質量恆星的歸宿問題上,從而錯失了最早發現黑洞理論的機會。

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而到了1783年,英國天文學家約翰·米歇爾進行了一項論證,如果有個人垂直向上射出一個粒子,比如炮彈,它的上升將被引力所減緩,而且這個粒子最終將停止上升並落下。然而,如果初始向上的速度超過“逃逸速度”的臨界值,引力將不夠強大到足以停止該粒子,它將飛離遠去。光速大約是每秒300000千米,光可以從地球或太陽輕而易舉地逃逸。

但是如果一顆恆星的質量非常大,以至於它的逃逸速度達到了光速,會怎麼樣呢?如果引力是如此巨大,連光也跑不出去,因此從外部世界看這個恆星必然是黑的,米歇爾稱之為“暗星理論”,也就是我們說的黑洞

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因為“暗星”是不可見的,所以要想在空間中找到這樣一個天體對於那個時代的科學家來說是不可能的,所以很多科學家認為“暗星”沒有任何意義。自此後,米歇爾的觀點也逐漸被人遺忘。

而到了後來,愛因斯坦提出相對論,可是他卻並沒有往這方面思考,直到史瓦西的出現。

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史瓦西1873年10月9日生於法蘭克福,史瓦西在天文學、物理學方面具有驚人的天賦,他16歲的時候就可以寫出三體問題週期解的論文,三體問題並不是指劉慈欣的《三體》,三體問題是指三個質量、初始位置和初始速度都是任意的可視為質點的天體,在相互之間萬有引力的作用下的運動規律問題。年僅17歲就在《天文學通報》雜誌上,發表了兩篇關於雙星軌道的論文。

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而他博士畢業之後,接連在維也納天文臺和慕尼黑天文臺工作,更是擔任了天文臺的臺長。在擔任天文臺長期間,他的研究成果十分豐碩,他除了是玻爾原子光譜理論的先驅者,和A·索末菲各自獨立地提出了普遍“量子化定則”,推出了電場對光影響的斯塔克效應的完整理論之外,他將輻射平衡的概念引入天體物理學,最先清楚認識到輻射過程在恆星大氣熱轉移中的重要作用,並提出處理這種過程的數學方法。他把近代統計方法應用於天文研究,發現了以他命名的恆星速度橢球分佈。

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1914年,世界大戰爆發,41歲的史瓦西響應國家的號召參軍入伍。他可能是德軍中年紀最大的士兵了。

他被派往比利時擔任氣象站站長,也算是專業對口。但是隨著戰事的愈演愈烈,史瓦西被調離了氣象站,被派到法國計算炮彈彈道。就是這一次的調令,讓史瓦西的生命出現重大轉折。

後來,德軍炮兵也發現了史瓦西的計算功底,於是在1915年,把42歲的史瓦西派到了東線戰場上任炮兵中尉,真正地奔赴在戰場最前線!

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1915年,物理學家愛因斯坦提出著名的“愛因斯坦場”方程。在德軍東線戰場裡的卡爾·史瓦西,在一封信上看見了愛因斯坦的這項轟動的理論發現。

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但是由於算法原因,愛因斯坦場方程在當時只有近似解,這點燃了史瓦西的科研慾望。在炮火連天的前沿陣地,利用作戰間隙潛心研究,他居然給出了這個方程的精確解,解決了這項世界級物理難題。

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我們知道在“愛因斯坦場“方程中,愛因斯坦沿用的是傳統的直角座標系,所以對一個對稱的、不自旋、不帶電荷的有質量球體進行計算,只能給出一個近似解。但史瓦西則另闢蹊徑,他引入的座標系類似於極座標系,從而可以得出精確解。

他將自己的研究成果寄給愛因斯坦,得到了愛因斯坦的誇讚。愛因斯坦場方程的這個精確解,從此被命名為“史瓦西度規”,這也正是愛因斯坦場方程的第一個精確解。

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而在此基礎之上,史瓦西發出了第二篇論文,其中給出了“史瓦西內解”,以及計算黑洞視界半徑的公式,由此,黑洞的視界半徑便被稱為“史瓦西半徑”,並把上述天體周圍史瓦西半徑處的想象中的球面,叫作視界。

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簡單來說,史瓦西設定了這樣一個天體,它的電荷量為0,也就是它呈電中性,它的角動量為0,也就是不自轉,宇宙常數也為0。這本可以用於描述地球和太陽之類自轉緩慢的天體,但如果它的質量增大到足夠大之後,它的逃逸速度將超過光速。這就意味著沒有任何東西能夠逃出它的魔掌,所以它本身也無法被看見,這就是“黑洞”。

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史瓦西的這篇論文,讓大家從此知道了,在茫茫宇宙之中存在著“黑洞”這種特殊的天體,自此100年裡,科學家們都在為了證實黑洞的存在而前赴後繼。

雖然史瓦西通過計算證實了“黑洞”的存在,但注重實踐和觀測的他,卻無論如何也不願意接受。他認為,這個數學上的解根本就沒有對應的物理意義,他不相信黑洞是真實存在的。

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1916年,還沒有來得及去實證“黑洞”概念的史瓦西在戰場上染上了“天皰瘡”,天皰瘡是一種棘手的自體免疫疾病,人體內的免疫系統本該用來對付外來的病原體,但在某些情況下,免疫系統也可能會對自身機體發動免疫攻擊,這就是所謂的自體免疫疾病。身染惡疾的史瓦西被送回來德國老家,不到兩個月,就撒手人寰,在他去世之後他的論文由愛因斯坦協助發表在Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften!

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然而,史瓦西所做的卓越貢獻得到了大家的一致肯定。1960年,德國科學界在圖林根邦陶騰堡地區建立了以史瓦西命名的“卡爾-史瓦西天文臺”。慶祝天文臺成立的獻詞中說道:史瓦西是近百年來最偉大的德國天文學家,他的兒子馬丁更是繼承父親的遺志,在天文學領域不斷開拓。

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而他由“史瓦西半徑”得出的黑洞也被命名為“史瓦西黑洞”。這是一種“尋常黑洞”。它是直接由較大的恆星演化而來的。恆星到晚期時核燃料消耗殆盡,輻射壓急劇減弱,星體在其自身引力的作用下坍縮。若質量(指原恆星的質量)大於3倍的太陽,其產物就是黑洞。在宇宙空間裡,此類黑洞具多數,其最大質量一般不超過50.2倍的太陽。

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史瓦西通過計算得出來“黑洞”的概念意義是非常重大的,過去我們從來不知道這個宇宙可能會存在“黑洞”這樣的特殊天體,這對於我們探尋宇宙的演變以及未來探索太空都具有十分重要的意義。

霍金的一些對黑洞的研究理論就為人類未來由黑洞而衍生出來的3種科技指明瞭一些方向,這三種科技可能將顛覆我們的認識,分明是作用於時空旅行,通過製造人工黑洞來作為哆啦A夢空間袋的存在,以及作為空間之門,用來實現超光速飛行。

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隨著首張黑洞照片的公開,人們對於宇宙的探索又邁進了一大步,而這都要歸功於先人的不盡探索。

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