為什麼這個超大號的香橙甜甜圈可以證實愛因斯坦的廣義相對論?

2021-02-17 科米課堂

4月10日，由包括中國科學家在內的多個國家和地區的科研人員合作的「事件視界望遠鏡」項目發布了人類有史以來獲得的第一張黑洞圖像。這張照片有點模糊，我們可以看到黑洞是一個中心為黑色的明亮環狀結構，看上去有點像個橙色的甜甜圈（有點吃貨(｡•﹃•｡)），其黑色部分是黑洞投下的「陰影」，明亮部分是繞黑洞高速旋轉的吸積盤。

這次獲得黑洞照片有著巨大的意義，不僅讓我們能接觸到黑洞的真實面貌，更重要的是，幫我們驗證了愛因斯坦廣義相對論和黑洞的物理性質，讓我們進入了一個展示時間、空間、光和物質深刻本質的更加深邃的新視野，意味著人類將能更深入地理解宇宙！

只是，一些對天文、物理不是很理解的同學來說，也許無法準確地理解為什麼黑洞照片就可以證實愛因斯坦的廣義相對論了呢？那我們首先來看看愛因斯坦的廣義相對論是什麼？

廣義相對論是描寫物質間引力相互作用的理論。相比較於狹義相對論適用於慣性系，廣義相對論則適用於包括非慣性系在內的一切參考系。


由於廣義相對論的內容比較複雜，所以我們單挑出一點來說，也就是愛因斯坦提出的黑洞：愛因斯坦的廣義相對論理論推導出某些大質量恆星會終結為一個黑洞——時空中的某些區域發生極度的扭曲以至於連光都無法逸出。

簡單地說，黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體，而恰恰在昨晚，這張期待已久的照片揭開了黑洞的神秘面紗，同時也證實了愛因斯坦的廣義相對論！

從照片中我們可以看到，黑色的界面上暈染出一個橙色光環，是這張黑洞「正面照」給人的直觀印象。這張黑洞來自於室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍。

黑洞本身並不發光，那麼，照片上的橙色光環是什麼？怎麼形成的？黑洞本身的確不發光，但是黑洞最主要的特點是引力比較強。黑洞周圍有很多氣體，這些氣體在黑洞引力的作用下會往黑洞裡下落，下落過程中，這些氣體就會變的非常熱，所以就會發出非常強的輻射。在圖中看到的這些明亮的光環，就是非常熱的氣體發出來的輻射。

黑洞成像除了提供黑洞存在的直接「視覺」證據外，最重要的目的是在強引力場的極端環境下驗證愛因斯坦廣義相對論，同時細緻研究黑洞周圍的物質吸積和噴流的形成及傳播。我們根據愛因斯坦的廣義相對論，結合黑洞吸積理論，能夠事先把理論家預言的圖像計算出來，然後把觀測到的照片跟理論預言的照片進行對比，發現它們非常吻合，從這個角度來說，愛因斯坦的廣義相對論再次得到了完美地驗證！


幽暗的宇宙美麗也調皮，長久以來人類關於黑洞的探索，終於得到影像印證。這一刻，人類在宇宙面前睜開了自己稚嫩的雙眼，看向了我們不曾看到過的神秘世界！這一刻值得銘記，未來，浩渺星空中，人類有關黑洞的浪漫探索，還將繼續……

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相關焦點

  • 愛因斯坦的廣義相對論是什麼?
    廣義相對論是現代物理學的主要組成部分。它基於空間的「彎曲」能力來解釋引力，或者更準確地說，它將引力與時空的幾何變化聯繫起來了。1915年，阿爾伯特·愛因斯坦創立了廣義相對論(GRT)，即這個「特殊」理論誕生十年之後，應用光速，並假設物理定律在任何給定的參照系中保持不變。
  • 既然愛因斯坦廣義相對論最後一項預言被證實,那再不懂相對論就真的out了
    引力波的發現具有其現實意義，霍金表示：「除了檢驗(愛因斯坦的)廣義相對論，我們可以期待透過宇宙史看到黑洞。我們甚至可以看到宇宙大爆炸時期初期宇宙的遺蹟、看到其一些最大的能量」。既然愛因斯坦廣義相對論最後一項預言被證實，那你真的了解相對論嗎？不懂也別急，安利相對論，童校長有一套自己的解釋體系。
  • 新理論摒棄了愛因斯坦的廣義相對論
    Larry Silverberg和Jeffrey Eischen的理論甚至可能會取代愛因斯坦的廣義相對論，後者已經被用來解釋物理現象超過一個世紀，最突出的是空間和時間的扭曲。該理論基於這樣一個基本理念，即能量在空間和時間中不斷流動，永無止境，永不交叉。
  • 愛因斯坦的第二個夢,從狹義相對論到廣義相對論
    這一步，愛因斯坦整整跨了10年，當他在1915年最終完成廣義相對論的所有內容後，愛因斯坦自己寫道：「讓我好好休息一陣子，我實在是太累了。」我們是該讓愛因斯坦好好休息一下了，如果說狹義相對論是他集各門各派武功之大成的話，那麼廣義相對論則是愛因斯坦傲視天下的獨門秘笈，他是當之無愧的孤膽英雄。
  • 對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?
    《對於引力的理解，牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡？》本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。一切物理問題都是測量問題，就如一切生物問題都是進化問題一樣。萬有引力定律與廣義相對論的區別，就要從測量的角度去講述。
  • 為什麼廣義相對論與量子力學無法統一?愛因斯坦自己也無法做到
    他們從一開始就註定了愛因斯坦最偉大的夢想——對現實的完整、確定性的描述。這是為什麼。圖解:如果讓一個網球落在一個像桌子一樣硬的表面，你能夠確定它將會彈回去。如果你用一個量子粒子做相同的實驗，你會發現這個傳統的軌道不是唯一的可能結果，是小於100%的一種可能。很奇怪，有一種限定的可能那就是量子粒子將會穿過桌子到另一邊，穿過屏障就像沒有任何障礙物。
  • 100年前的今天,他的實驗首次驗證了廣義相對論,愛因斯坦從此走上「神壇」
    DAVIDSON）今天，是廣義相對論首次被實驗驗證的100周年紀念日。1919年5月29日，英國科學家愛丁頓領導的日全食實驗支持了愛因斯坦提出的廣義相對論。現在看來，當年愛丁頓力挺愛因斯坦，讓廣義相對論「一戰成名」，也使愛因斯坦獲得了世界性的影響力。但是，有輿論認為，這個實驗是為了緩和一戰後英國與德國的關係，但當時的實驗精度不足以證明廣義相對論是正確的。這種看法合理嗎？
  • 雙語——由於它,愛因斯坦的廣義相對論再次被證實
    【譯】用ESO的甚大望遠鏡（VLT）進行的觀測首次揭示了一顆圍繞銀河系中心超大質量黑洞運行的恆星的運動，正如愛因斯坦廣義相對論所預測的那樣。【單詞】Observations 原型：observation 名詞複數形式 [ob-zur-'vey-shuhn][bz'ven] n.
  • 愛因斯坦不信的廣義相對論黑暗面,就在銀河系中心
    超越愛因斯坦1915年11月，愛因斯坦的廣義相對論橫空出世，它從最大尺度上描述我們的宇宙，顛覆了以往所有的時間和空間概念。廣義相對論為人類理解引力奠定了新的基礎，也成為了此後所有宇宙學研究的基石。宇宙中的一切事物都收到引力的控制：引力把我們固定在地球上；引力控制著行星圍繞太陽、太陽又圍繞著銀河系中心；引力促成恆星生於星際雲，又死於引力坍塌。
  • 愛因斯坦又一次正確!太陽光譜的精確測量驗證了廣義相對論
    愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論引入了時空的新概念，它表明大質量物體會引起附近時空的彎曲，而時空彎曲會引起時間變慢。但是在當時的技術條件下，能明顯測得到相對論效應的天體就只有太陽。那麼我們應該如何測量時間延緩這一效應呢？
  • 關於黑洞:愛因斯坦廣義相對論這回或錯了,對的是霍金
    Space網站刊文稱，通過對探測引力波的數據進行認真研究，兩名物理學家認為，他們發現可能存在一種新型黑洞的證據：不符合根據愛因斯坦廣義相對論推導出的光滑的黑洞模型。▲可能存在一種黑洞，違背愛因斯坦的廣義相對論，但符合霍金的黑洞理論在廣義相對論中，黑洞是一種簡單的天體：被無限壓縮的奇點，四周是光滑的事件視界，光線、能量或物質都無法穿過事件視界而逃出黑洞的「魔爪」。
  • 愛因斯坦又對了!恆星繞銀河系黑洞的運動,符合廣義相對論的預測
    正如愛因斯坦廣義相對論所預測的那樣，它的軌道是玫瑰花形的，不像牛頓引力理論所預測的是橢圓狀。這是科學家們經過近30年來日益精確地測量，才終於揭開了隱藏在銀河系中心的龐然大物的神秘面紗。愛因斯坦的廣義相對論預言，一個物體圍繞另一個物體的束縛軌道並不像牛頓引力那樣是閉合的，而是在平面上向前運動。這個著名的效應——首先在水星圍繞太陽的軌道上看到——是支持廣義相對論的第一個證據。
  • 提出廣義相對論30多年後,愛因斯坦仍在擔憂這件事
    來源：環球科學1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論。作為20世紀最偉大的科學理論之一，廣義相對論經過時間的檢驗，已經成為現代物理學的重要基石。但鮮為人知的是，即使到了20世紀50年代，由於缺乏實驗證據，對廣義相對論感興趣的人也並不多。因此，愛因斯坦試圖將廣義相對論推廣為新的理論。正是在這樣的背景下，愛因斯坦為《科學美國人》寫下了這篇文章。
  • 看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?
    1915年，愛因斯坦的廣義相對論出來後，得到了一些人的支持，但是，還有很多的科學家對他的理論持質疑態度，而真正看得懂的更是非常之少。愛因斯坦需要實驗來驗證廣義相對論的正確性。而且這次日全食發生的時候，太陽周圍正好是畢宿星團的星星，這個星團特別的亮！日食探測星光偏折，不確定性的因素本來就很多，其他團隊後來沒有得到像樣的精確度，也是沒有什麼可以驚奇的。也許是牛頓的萬有引力理論，已經深入人心，愛因斯坦廣義相對論用時空彎曲來解釋引力，這個太難以讓人接受了，甚至許多人覺得簡直是謊謬。
  • 諾獎解析|愛因斯坦不信的廣義相對論黑暗面,就在銀河系中心
    超越愛因斯坦1915年11月，愛因斯坦的廣義相對論橫空出世，它從最大尺度上描述我們的宇宙，顛覆了以往所有的時間和空間概念。廣義相對論為人類理解引力奠定了新的基礎，也成為了此後所有宇宙學研究的基石。這個概念其實並不新奇。早在18世紀末，英國哲學家、數學家John Michell和法國科學家Pierre Simon de Laplace就認為天體可以變得極其稠密，連光速都不足以逃離它們的引力。後來，物理學家們也普遍認為當大質量恆星壽命走向盡頭，發生超新星爆炸，然後就會坍縮成極其緻密的殘骸。
  • 廣義相對論及我們的宇宙——《狹義與廣義相對論淺說讀書分享》
    為什麼牛頓運動定律在地面上就能夠成立，在火箭上卻不能成立呢？2.引力，引力場在講到愛因斯坦的廣義相對論時，不得不回顧一段歷史：在1666年，一個年僅23歲的年輕人——艾薩克 . 牛頓發現了萬有引力定律；創立了微積分；完成了光的色散實驗。
  • 愛因斯坦提出廣義相對論後,牛頓的定律是錯的嗎?
    可以說，是萬有引力使宇宙中的萬物聚在一起。萬有引力是物理學中我們已知的四個力之一。其他的幾個力是：控制著電力、磁力和光的電磁力，以及在原子核內的微小距離上有效的一對核力。似乎可能違背直覺的是，萬有引力是這些力中最弱的一個。一個小小的冰箱貼足以從桌子上吸起一枚回形針，即使整個地球的質量都在向下拖拽這枚回形針。
  • 「需要比愛因斯坦更好的理論」布萊恩·考克斯提出廣義相對論挑戰
    相對論的一般理論由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）於一個多世紀前發布，以完善艾薩克·牛頓的萬有引力定律。該模型提供了對重力的統一描述，將其描述為時空或時空的幾何屬性，目前仍被科學家用作現代物理學中對重力的描述。
  • 如何自學廣義相對論,這裡有一份秘籍
    著名的物理學家約翰·惠勒是這樣總結廣義相對論的：「物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。」前半句概括了愛因斯坦場方程，而後半句則概括了運動方程。它還有個獨特之處，利用場方程能推導出運動方程，這在其它場都是沒有的。這句話也是普通大眾對廣義相對論的理解：物質會導致時空彎曲。
  • 通俗的解釋愛因斯坦相對論到底說的是什麼?
    愛因斯坦的相對論是一個著名的物理理論，但人們對此知之甚少。相對論包含兩個不同的元素：廣義相對論和狹義相對論。狹義相對論首先被介紹，後來被認為狹義相對論是更全面的廣義相對論的特例。廣義相對論是阿爾伯特·愛因斯坦在1907年至1915年間發展起來的一種引力理論，1915年之後，許多人為驗證廣義相對論做出了貢獻。