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科技向未来:黑洞-时空弯曲的超级旋涡(上)

少儿编程网2019-07-03 10:27:54科普文章 人已围观 来源:科普中国

简介上篇  【视频·街采】  看到黑洞照片觉得像什么?  “一只眼睛。”  “猫的眼睛。”  “像一个笑脸。”  “比较像那种打散的鸡蛋黄。”  之前想象的黑洞是什么样子的?  “黑黑的一个球。”  “没有水的枯井。”  “色彩斑斓的星星点点的。”  “像一个魔鬼的吸盘。”  “像一个吸力机似的。”  关于黑洞你最想了解的真相是什么?  “黑洞里面是什么。”  “它有辐射吗。”  “它什么时候会吸到地

上篇

【视频·街采】

看到黑洞照片觉得像什么?

“一只眼睛。”

“猫的眼睛。”

“像一个笑脸。”

“比较像那种打散的鸡蛋黄。”

之前想象的黑洞是什么样子的?

“黑黑的一个球。”

“没有水的枯井。”

“色彩斑斓的星星点点的。”

“像一个魔鬼的吸盘。”

“像一个吸力机似的。”

关于黑洞你最想了解的真相是什么?

“黑洞里面是什么。”

“它有辐射吗。”

“它什么时候会吸到地球。”

“进入黑洞之后是到了哪里。”

“在它里面还能不能够出来。”

“在黑洞的那一边是什么样的世界。”

如果可以靠近黑洞你最想做什么?

“时空穿梭。”

“时光倒流。”

“我想从黑洞中穿过去。”

“会不会可以看到小时候。”

“回到过去让我再年轻一回。”

“让自己青春永驻可不可以。”

【视频短片】

解说:1916年,德国天文学家史瓦西根据爱因斯坦的广义相对论,预言了“黑洞”的存在。人类在100多年的时间里不断地探究黑洞是否真实存在,大量天文观测数据已证实,在浩瀚的宇宙当中,有无数的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人类却从未直接“看”到过黑洞真容。直到2019年4月10日,由“事件视界望远镜” 历时两年多处理分析的首张黑洞照片终于问世,神秘的“黑洞”才真正被我们“看见”。这也再度引发人们对宇宙太空探索的热度。

主持人:壮丽七十年,科技向未来!大家好,这里是中央纪委国家监委网站《科技向未来》,我是主持人张静。科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运,也从来没有像今天这样深刻影响着人民生活福祉。我们《科技向未来》就聚焦大家最关心的前沿科技,今天这一期节目,我们就要和大家来聊聊“黑洞”。很多朋友知道最近“黑洞”是频繁刷屏,我相信很多朋友都非常的好奇,这个黑洞的奥秘到底是什么。今天我们为大家邀请到的是中国科学院上海天文台副台长——袁峰研究员。接下来,我们把时间交给他。

【主旨演讲】

袁峰:大家好,我是中国科学院上海天文台的袁峰。

解说:袁峰,天体物理学家,中科院上海天文台副台长,上海天文台学术委员会主任,中国科技大学理学博士。

黑洞是连光都无法“逃逸”的天体

袁峰:今天我给大家讲一讲黑洞的事情。首先什么是黑洞?黑洞是宇宙中一种非常特殊的天体,它的时空曲率非常大,大到连光都无法逃脱。这句话不是太好懂,我给大家打两个简单的比方。我想在座的人很多都有站在地面上扔石头的一个经历,无论你用多大的力气,石头都会落回到地面,原因是因为石头的速度不够大,没有超过地球的一个叫“逃逸速度”。这个“逃逸速度”指的是描述一个天体引力强弱的一种量,它是取决于这一个天体的质量以及它的大小。设想宇宙里边有一种天体,它的质量非常的大,但是大小又非常的小,那么这就意味着它的引力就非常的强,它的逃逸速度如果是大于或者等于光速的话,那么即使天体本来是发光的,光子也逃脱不出这个天体对它的引力的束缚,所以这个天体看起来就是黑的,这就是黑洞。

1980年科学家首次“计算”出黑洞图像

对于黑洞的严格意义上的研究,应该是从1915年算起,那一年爱因斯坦提出来了他的著名的广义相对论。那么第二年一位德国的物理学家叫卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild),他就第一次得到了爱因斯坦提出的场方程的一个严格解,发现了黑洞的一个存在,从那以后科学家们就一直对这个问题进行不断的研究。这张图片就是科学家们计算出来的黑洞的一个照片。这是发表在1980年左右天体物理学的一本杂志上的一个著名结果。

其实远远不止是科学家,很多艺术家们,比方说我们的电影导演们,对黑洞这个话题也是非常感兴趣的。那么现在屏幕上的两张照片就是从著名的《星际穿越》里边拿到的两个关于黑洞的镜头。这两个镜头跟我们现在理解的黑洞已经非常相像了,但是所有这些都仅仅是我们的想象。

观测5500万光年以外的黑洞,相当于在北京看清巴黎一张报纸上的文字

直到最近我们人类才首次得到了黑洞的一张照片。那么再给大家展示这张照片之前,我想首先强调一下,我们科学家对得到这张照片付出了多大的努力。我们这一次观测到的黑洞,它的半径大概有几十亿公里,听起来已经非常大了,但是这个黑洞距离我们地球非常的遥远——5500万光年,意思是什么呢?光每秒钟的速度是30万公里,即使是光也要跑5500万年才能够到达我们的地球,所以距离是非常的遥远。那么我们在地球上观测这一个黑洞的话,差不多就相当于我们在北京要看清楚放在巴黎的一张报纸上的文字,所以你可以想象是非常难的。

“虚拟望远镜”的口径相当于地球直径

科学家们要想给黑洞拍照的话,那么首先需要解决的一个问题就是分辨率。能够看清楚非常遥远的一个天体细节的一个能力,主要是取决于两个量,一个是你观测的波长;另外一个就是望远镜的口径,就是说望远镜有多大,那么这两个因素综合起来考虑,目前我们在地球上的科学家能够达到的最好的分辨率是通过射电望远镜获得的。那么具体到这一次黑洞的观测,我们的观测波长是一毫米左右,然后我们用到的望远镜是把地球上位于不同地方的八个望远镜联合起来一起组成的,那么实际上形成的虚拟的望远镜,它的大小相当于地球的直径,所以非常非常大的一个望远镜。   

说到这个射电干涉,我还要提一下,射电干涉观测非常的困难。其中一条,它要求位于地球上不同地方的八台望远镜它们的时间必须要足够的精确,这样的话才能够把不同的望远镜得到的信息信号放到计算机里进行一个叫干涉的处理。那么这些望远镜的时间精确度要高到什么程度?我们必须要用一个叫原子钟的一种仪器来对不同的望远镜进行计时,这个原子钟的精确度相当于几亿年时间,它的误差还不到一秒钟,非常非常精密的一个仪器。

“冲洗”第一张黑洞照片为什么用了两年时间?

第二个难度是拍完了照片以后,要想洗照片也是非常非常的困难。首先它的数据量非常的大,每一台望远镜每一秒钟观测,它得到的数据是4个GB。那么你可以想象这一次是用了八台望远镜,观测了五天的时间,它的数据量有多大,大到什么程度呢?这些数据已经无法通过网络传输到我们的计算机中心对它们进行合成分析了。

这时候我们必须要回到了一个原始的办法,就是每一台望远镜它的观测数据用一个硬盘存起来,然后用飞机运到了分别位于德国马普射电天文所以及美国MIT麻省理工学院的两个地方,用超级计算机对它们进行数据处理。

这些数据处理起来难度非常的大,我们这一次国际合作一共有200多个科学家,已经是一个非常大的团队了。处理这个数据用超级计算机也用了两年的时间,这就是为什么直到最近我们才能够得到第一张黑洞的照片。

也许在座的会问,我们为什么要花这么大力气来拍摄黑洞这个照片?我想第一个答案是满足人类的好奇心,而且好奇心正是我们进行自然科学研究的一个最原始的驱动力。宇宙里边存在这种黑洞,黑洞又是这么奇特的一种天体,难道你不想看一看它的真实面貌吗?难道你不想看看它到底长什么样吗?

首张黑洞照片如何检验广义相对论的正确与否?

给黑洞拍照还有它很重要的科学意义,那么第一个意义就是为了检验爱因斯坦的广义相对论是否正确。通过把望远镜拍到的真实黑洞照片跟广义相对论预言的黑洞照片进行对比,我们来看一看一致不一致,就能够检验爱因斯坦的广义相对论正确与否。

好,说到这里,我想我们可以一起来看一下首次得到的黑洞照片到底是个什么样子。这就是我们得到的黑洞照片,从这张照片上我们可以看到两个特别明显的结构,第一是在它的中心部位是一个黑色的,我们把它叫阴影的一种结构,光度非常的低;另外环绕中心的黑色阴影有一圈发亮的结构,我们把它叫亮环,这个亮环我们可以看到它是不对称的,上面那一部分相对来说不是很亮,而下面这部分相对来说更加亮一些。中心的黑色阴影,它并不是黑洞的大小,它的黑色区域要比黑洞的半径要大两倍以上。

黑洞连光都无法逃脱,为什么周围却有发光的圆环?

黑洞既然引力这么强,我们强调了连光都无法逃脱,为什么周围还有一个发光的圆环?这个发光的圆环就跟我刚才给大家介绍的黑洞吸积有关。我们学过物理都知道能量是要守恒的,气体随着往黑洞下落的过程,从远到近,它的温度变得越来越高,到了黑洞附近的时候,达到非常非常高的一个温度,那么这样的一个高温气体就必然发出非常强的辐射,这个辐射就是我们看到的亮环的来源。

那么为什么这个亮环不对称?上边一部分相对比较暗,下边一部分相对比较亮?主要的原因就是一种叫多普勒效应的现象,据说发光的这些气体往黑洞下落的过程中它是有旋转的,一部分气体旋转是朝着黑洞,另外一部分是远离黑洞。那么这种情况下就会有一种叫多普勒效应,朝着我们来的气体发出来的光就会变强变亮,而远离我们的就会变得比较暗淡。

在得到黑洞照片的过程中,我们的科学家实际上还是付出了很多的努力。另外一方面这也是科学研究作为一种职业它最吸引人的一个地方,对于科学家来说,他每天面对的问题都是从来没有被解决过的一些问题,都是宇宙里边的一些奥秘。

在这里我想给大家分享一下我个人的一个例子。1999年,整整20年前,科学家们首次得到了黑洞吸积过程的一个超级计算机做出来的模拟结果,那个模拟的结果跟我们原先预想的非常的不一样。那么原因是什么呢?

“吾爱吾师 吾更爱真理”

当时国际上就产生了两个学派,这两个学派的领头人都是美国科学院的院士,都是国际上非常顶尖的天体物理学家。一派认为气体没有落到黑洞视界里,是因为一种叫对流的一种物理过程在起作用;另外一派认为它在下落的过程中都变成外流变成风、损失掉了。这两派他们当时谁都没有说服谁,争论了差不多有十几年的时间。2012年我们上海天文台的课题组,就对这个问题做了详细的一个研究,最终我们发现,哈佛大学学派可能是不对的,斯坦福那个学派可能是对的。在这里我想插一句,哈佛大学学派的领头人是我当年在哈佛大学做博士后的导师,所以从这个意义上来说,我把自己导师的理论给推翻了。当然了他毕竟是一个非常正直严谨的、真正的科学家,他当时当然对这个问题非常的重视,特地从美国飞到了上海跟我专门当面讨论。最后我终于把他给说服了,他承认了我的结果的正确性,然后后来我们还一起,在三年以后又联合发表了一篇文章说明这个问题是怎么回事。所以通过这件事,我想说明的是这些年来我们国家的天文学确实是发展的比较好,我们终于能够至少在个别问题上,真正地登上了国际舞台,能够有自己的一席之地。

中国天文学研究登上国际舞台 占有一席之地

另外一个例子就是天文和天体物理学界,国际上有一个很著名的一个综述性期刊叫《天文和天体物理学年评》。这个期刊是国际上公认的最权威的一个综述性的期刊,一年只发表1期,每一期只有十几篇文章,它都是邀请国际上对某一个领域最顶尖的科学家,对这个领域近一二十年甚至更长一个时间的发展做一个综述性的评述。到目前为止,我们中国的天文学工作者已经在这个杂志上发表了三篇文章。所以至少在这三个领域,我们中国的天文学工作者可以说是走在了国际前列。

我想说也正是因为这些年来我们中国天文学工作者不懈努力,所以在这一次给黑洞拍摄第一张照片的重大国际合作中,我们才能够有幸成为国际合作团队的一员。中国(大陆)这一次一共有16个科学家参与了这次国际合作,而且还有一位科学家最终进入了一个由五位科学家组成的论文发表小组。我们通过这次国际合作能够进入国际舞台,究其根本也是我们国家科技进步、国家强盛的一个标志。

70年来,我们建成哪些重要天文观测仪器?

天文学是一个观测的学科,重大的观测仪器的建造是非常重要的。新中国成立这些年来,我们先后有好几个非常重要的观测仪器已经建成。比方说从早期的位于河北兴隆的一个2.16米光学望远镜;比方说在射电波段,我们有非常著名的中国天眼,位于贵州的500米口径的FAST;在光学波段,我们有LAMOST,大视场的光谱的一个巡天的望远镜;然后在伽马射线波段,我们有暗物质探测卫星望远镜——悟空;还有在X射线波段,我们有一个X射线调制望远镜——HXMT,所有这些都标志着我们中国天文学的一个发展。

正如习近平总书记指出的,中国要强盛、要复兴,就一定要大力发展科学技术,努力成为世界主要科学中心和创新高地。达成这一目标是我们科技工作者的一个使命和担当,也希望通过自己的不懈努力,最终实现把我们的国家建设成世界科技强国,实现这一伟大目标,同时也为整个人类的科学发展作出我们中国的贡献。

谢谢大家!

【互动访谈】

主持人:谢谢袁台长精彩的演讲,同时我们要感谢袁台长和所有天文工作者的辛勤付出。通过您刚才的演讲,我们看到了中国人在建设科技强国的进程当中,正在迈出自己坚实的步伐,我们每一个人都为之自豪。接下来有请袁台长。

您好,袁台长,欢迎。刚才您在演讲当中,我看到黑洞的照片,这张照片应该是全球同步发布的,我知道我们中国的发布地点就是您所在的上海天文台,是这样吗?

袁峰:是的。

主持人:您跟我们大家聊聊这张照片背后的故事吧。

袁峰:这一次全球的国际合作,中国(大陆)一共有16位科学家参与,其中有8位是从上海天文台,所以上海天文台是这一次国际合作在中国这一部分参与的牵头者、组织者,也是参与人数最多的,这就是为什么这次新闻发布会放在了上海。

主持人:其实我们也看到随着中国综合国力的提升,我们中国科学家的贡献也是日益凸显出来,我想这张黑洞照片的发布也是充分说明了这一点。

今天我们演播室还为大家请到了两位特别的嘉宾,他们一位是中国科学技术馆副研究员、科技史博士赵洋,另外一位是获得中国科幻最高奖——银河奖的青年科幻作家江波,掌声有请二位。

赵洋:你好,主持人!你好,袁台长。

江波:主持人好!

【下期看点】

袁峰:黑洞不断地吞噬各种气体恒星,甚至把整个银河系都吞掉,不是说没有这个可能的。

主持人:我们以前《西游记》里面的地上一年、天上一天,这个是真的。

袁峰:如果发生了星际战争,人类就可以躲到虫洞里去,等到结束以后,再跑出来。


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