黑洞、奇點、重力塌縮、時空扭曲、廣義相對論,你了解多少

2020-12-05 幻之獅

這幾天,網絡上最火爆的照片無疑就是那組「史上首張黑洞照片」了。這組照片的公布盡掃科學界過去對黑洞是否存在的質疑。當然,也讓「某覺」公司活了一把,愣是趁機大撈一筆。且不說這種恬不知恥的行為如何,今日筆者只說黑洞,相比之下,「某覺」比黑洞還要「黑」。轉回正題,跟大獅子一起看宇宙黑洞的最新定論。照片公開方「事件視界望遠鏡(EHT)」計劃研究員強調,黑洞照片證實了愛因斯坦「廣義相對論」的正確性。儘管天才物理學家的理論正確描述了空間、時間、物質及重力的關係,殊不知愛因斯坦當年也曾懷疑自己所提出的黑洞設想是否正確。

「黑洞理論」源於廣義相對論的見解,但「黑洞」一詞並非由愛因斯坦所造。最早提出「黑洞」一詞的已故美國物理學家約翰·惠勒,他曾概述:「物質驅使時空扭曲,時空驅使物質按其扭曲移動。」假如一塊懸空的扁平橡膠板代表時空,人們在中央位置放上一個代表物質的保齡球,膠板自然會因承受保齡球的質量而扭曲,下墜到更加接近地面。扭曲的時空構成重力場,如此便簡潔說明了,時空是如何受物質扭曲。

隨後,繼續於膠板周邊放置滾石,因為先前中央已有一顆保齡球,重力場令石的滾動軌跡發生變化:從外向彎曲下墜的中央繞轉。最初被物質改變了的時空,由此使影響了物質的移動。可見廣義相對論下,物質、時空關係密切,重力則調節彼此的相互作用。

粗略理解廣義相對論後,又如何延伸至黑洞理論?德國物理學家卡爾·史瓦西便提出一項假設:把一個密度無限的奇點放到板中央。他認為,在達到特定條件下,這個奇點理論上會穿越時空。天體物理學裡的奇點,可嚴重扭曲時空,即便是最快的光速,也不能從奇點產生的時空洞中逃逸。

儘管數學上,奇點是一個有趣的數值解,但當時天體物理學界普遍反對「奇點」的假設,理由是現實中沒有已知機制可產生「奇點」。史瓦西一直堅持自己的看法,直至 1916 年去世,他的理論仍被忽視。

終於,印度裔天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡在1935 年找到奇點出現的機制。他提出,如果一顆巨大恆星耗儘自身燃料後,由於已不能平衡自身重力,物質便會向內塌陷,稱為「重力塌縮」,導致時空崩塌。他的發現,拉近了數學假設與科學可能性之間的差距,為日後證實奇點形成,提供背後理論。

不過,由於這些概念在當時聽來過於激進,即使是愛因斯坦本人,對此也帶有疑慮。他在 1939 年刊於「數學年鑑」的論文中,曾表示有關想法「沒有說服力」,而且這種現象在現實中並不存在。

及至 60 年代,兩位超級物理學家霍金及羅傑·彭羅斯終於證明,奇點在宇宙中並不罕見,是宇宙系統的一部分。當擁有巨大質量的恆星耗儘自身後,便自然演化成奇點。而愛因斯坦逝世 12 年後的 1967 年,惠勒在紐約一個學術會議期間提出「黑洞」一詞,描述此一恆星崩塌後的狀態。他又在 1999 年的自傳中寫道:「黑洞讓我們知道,像紙一樣的空間,能被揉成無限小的點。在那時候,時間就像吹熄的火焰一樣熄滅。以及我們自以為『神聖不可變更的物理定律』,其實什麼都不是。」

相關焦點

  • 彭羅斯與霍金對廣義相對論和黑洞研究的貢獻
    證明塌縮形成黑洞的天體,物質一定會聚集在一起形成密度為無窮大、時空曲率也為無窮大的奇點,並認為這個奇點可以看作時間的終點。 彭羅斯的工作證明了黑洞內部一定有一個奇點,即時間的終點,作為黑洞的時間反映的白洞的內部也一定有一個奇點,那就是時間的起點。
  • 黑洞中的奇點是什麼?
    這也難怪,霍金證明把廣義相對論應用到宇宙學時,就必然會出現奇點,所以有人認為這就是廣義相對論的局限表現,連廣義相對論也在此「點」失效。而我認為應該沒溫度,因為溫度就是運動,而運動就有時空,但宇宙是奇點時的時空是不存在的,這有衝突矛盾。所以黑洞「奇點」的溫度更不是無限高。至於熵值應該和宇宙大爆炸奇點類似,只不過是逆過程,是從無序走向了有序。這樣黑洞的「奇點」是一個密度無限大、體積無限小、熵值無限趨向於0、質量巨大的「點」,是個引力坍縮點,這個點在數學上沒有大小。
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    研究黑洞的歷史 黑洞是宇宙中最恐怖的天體,它引力極其強大,能夠吞噬周圍的一切,以至於所有粒子,甚至光都無法逃出它的魔掌。這樣的暗黑天體人類是無法觀測到的,也曾長時間無法相信它的存在。 1915年,愛因斯坦發展出廣義相對論理論,根據廣義相對論,物質之間的引力來自於時空的彎曲。
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    史瓦西半徑是根據廣義相對論的史瓦西解得到的一個半徑公式,用於計算光速不能逃逸的臨界半徑,科學家稱這個臨界半徑包裹的球形區域為黑洞。黑洞根據廣義相對論,當大重量恆星結束核聚變,中心會坍縮到史瓦西半徑以內而形成黑洞,根據英國物理學家彭羅斯和霍金證明的奇性定理,黑洞中心會產生一個體積無限小,密度無限大的奇點,在奇點處時空終結,物理規律失效,這是一個預言中的奇異點,實際存不存在無從驗證,因為它永遠被黑洞視界包裹著,黑洞視界阻止了外界獲取內部的任何信息
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    愛因斯坦在發表狹義相對論之後,開始著手研究另外一個難題一重力。牛頓已經發現了萬有引力定律(跟距離的二次方成反比,跟質量乘積成正比的力),邁出了重力研究上的重要一步。
  • 時空奇點與黑洞——2020年諾貝爾物理學獎
    研究黑洞的歷史黑洞是宇宙中最恐怖的天體,它引力極其強大,能夠吞噬周圍的一切,以至於所有粒子,甚至光都無法逃出它的魔掌。這樣的暗黑天體人類是無法觀測到的,也曾長時間無法相信它的存在。1915年,愛因斯坦發展出廣義相對論理論,根據廣義相對論,物質之間的引力來自於時空的彎曲。僅僅幾個月後,德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算廣義相對論引力場方程得到了著名的史瓦西解。
  • 物體落地,非因「重力」,廣義相對論另有解釋?
    原問題:廣義相對論如何解釋物體落地的原因?自由落體和最大原時我們對物體落地非常熟悉,但對其原因卻不太了解。我們常會提到「引力」,但那不過是基於牛頓經典物理學觀點而言。此外,還有第二個效應:根據廣義相對論,時間在高海拔地區(離地球更遠的地方)流逝得稍微快些。海拔為零地方過一秒種,在海拔為五米的地方則會多過0.55飛秒。現在,這兩種效應共同使得下落的球速度越來越快。在沒有重力時間膨脹效應的情況下,時空中兩個事件之間最直聯繫就是速度恆定的路徑。因此,正如牛頓第一定律所言,不受力物體會勻速運動。當然,除非時空是彎曲的。
  • 廣義相對論和量子力學打架的黑洞奇點,真可能通向另一個宇宙嗎?
    黑洞從廣義相對論中的預言走到2019年4月10日的首次對黑洞成像,差不多經歷了一百多年的時間,但我們認識黑洞卻不是從4月10日後才開始的,人類已經通過理論模型到一步步的觀測驗證,對黑洞已經建立起了大量的認知,但即使我們已經拍下照片,但對視界以內的狀況仍然一無所知!
  • 時間有無開始與終結|2020年諾貝爾物理獎得主彭羅斯的奇點定理
    把他們吸引到這一問題上來的原因是,他們注意到當時已知的廣義相對論場方程的解,除去作為真空的閔可夫斯基時空和德西特時空(常曲率時空)之外,一般都存在內稟奇點,奇點處時空曲率發散,因而是物理理論無法了解的地方,它隨時可能產生無法預測的信息。環形奇點(如轉動黑洞中的奇環)的附近,還會出現「閉合類時線」,沿這類曲線生活運動的人,會回到自己的過去。這簡直令人不可思議。
  • 關於黑洞,你了解多少?除了強大的引力,還有更不可思議的事情
    黑洞會是通往其他宇宙的通道嗎?利用黑洞來穿越空間是個有趣的故事情節,在這種時候,人們有時會談到「蟲洞」。最初,蟲洞,或者說時空(spacetime)中的「捷徑」,最初這一概念是作為愛因斯坦的廣義相對論的一種解被提出的。不幸的是,在最初的解中,蟲洞會在你試圖穿過它的一瞬間解體,將你毀滅(也就是說,把你放進蟲洞裡會令這個解不再成立)。
  • 重力是力嗎?其實它是時空的扭曲
    重力使得球往下掉這裡先說一下重力和萬有引力之間的關係,重力只是個通俗的說法,萬有引力可以產生重力的效果,慣性力也可以產生重力的效果在廣義相對論中,萬有引力的本質是存在的質量對時空的彎曲,質量越大,時空被彎曲的曲率越大。
  • 這罐黑洞多少錢?我買了
    被翻譯成奇點,是因為它在數學形式上通常表現為一個點,然而在物理上,它有可能是一個區域,這個區域就叫singularity。我們知道,廣義相對論對引力的解釋是:質量的存在扭曲了其周圍的時空,物體感受到了時空的扭曲,因此運動狀態發生了改變,就好像受到了一個力的作用一樣。
  • 黑洞在吞噬物體時, 要怎樣理解因為引力越大, 時間流逝越慢?
    話說黑洞引力極大,能吞噬任何物體。又因為引力越大,時間就流逝的越慢。那是不是"吞噬"只是表象,而真正的原因卻是因為進入黑洞的物體時間過得太慢(幾乎是停止),而我們沒有那麼多的時間去等待物體離開黑洞呢?提到的核心是時間變慢,那就認為這是在廣義相對論(廣相afterhere)的框架下討論問題咯。首先,要做出澄清的是,廣義相對論的框架下沒有引力的概念,我們感受到的引力是時空扭曲的體現。不管是地球繞著太陽轉還是蘋果掉到地上,都只是(質量影響下)時空幾何中的「勻速直線運動」(正式名字叫測地線)。便於敘述,我們還是使用「引力」這個詞。第二,黑洞來自廣義相對論的解。
  • 物理學家將量子力學與廣義相對論結合,找到替代黑洞奇點的新方法
    物理學家提議替代黑洞,物理學家已經將量子力學概念與廣義相對論結合在一起,從而找到了替代黑洞奇點的新方法。當您跨過兩個黑洞的假設選擇時,您會得到什麼?,這是一個自洽的半經典相對論恆星,發表了有關恆星命運的新數學模型。
  • 【人民日報】告訴你一個真實的黑洞
    電影中反覆出現的黑洞、蟲洞等概念,讓我們對深奧的宇宙知識多了一分了解,也使得本來浩瀚的宇宙又增添了更多的神秘感。  在影片結尾部分,男主人公欲返回地球,途中他選擇墜入黑洞,結果在黑洞奇點附近被未來人類拉進一個五維時空,掀起了全劇高潮。相比還處於未被驗證的理論階段的「蟲洞」概念,科學家們對於黑洞研究的歷史頗為久遠,並已得到了驗證。  黑洞究竟是什麼?對它的研究因何而起?
  • 黑洞與蟲洞性質與形成原理的簡單解釋,帶你初步了解黑洞與蟲洞
    黑洞通向哪裡?首先,讓我們從認識黑洞開始。黑洞形成於質量很大的恆星衰亡時。一個恆星有很大的質量,意味著它的內部受到了很大的引力作用。你在地球上受到的重力與這種引力作用相同,它使你不會漂浮在空氣中!眉月形肇因於黑洞的自轉和相對論放射現象;陰影直徑大約是事件視界直徑的2.6倍。這些恆星也是由釋放大量熱量的高溫氣體組成的。這就產生了一種從內到外推動恆星的力。通常,重力的拉力和熱量的推力相互平衡。但是,當恆星變老的時候,它會燃燒掉所有的燃料,再也無法產生任何推力。
  • 黑洞裡有什麼?倘若乘坐堅不可摧的宇宙飛船,我們能看到什麼?
    宇宙是非常龐大的,在宇宙中有很多神秘的事情,很早以前科學家就對宇宙進行了探索,曾經愛因斯坦還提出黑洞的理論,在愛因斯坦的相對論中,表示在宇宙中還存在這一個引力超大的天體,連光速都無法逃脫的出來。後來黑洞被人們證實,並且在2019年4月首張黑洞照片面世,讓人們對黑洞有了更全面的認識,但是黑洞可以吞噬宇宙中的很多物質,所以人們對於黑洞還是充滿了好奇,黑洞的內部有什麼呢?倘若人類乘坐堅不可摧的宇宙飛船進入黑洞,我們又會看到什麼呢?
  • 廣義相對論最後預言──重力波──終被證實
    愛因斯坦在100 年前發表的廣義相對論的所有預測,終於全部被天文觀測證實。研究人員說,他們檢測到兩個大約相等於太陽體積30倍的黑洞,在距離地球13億光年的位置碰撞後所產生的重力波。理論簡介愛因斯坦在1916 年正式發表廣義相對論,至今剛好100 周年。 廣義相對論徹底推翻牛頓重力理論,把重力和加速度統一。當時空被物質或能量所扭曲,就會產生所謂的重力。重力原來非「力」,而是時空結構和質能互動的結果。廣義相對論與量子力學成為現代物理學的兩大支柱。
  • 黑洞中的奇點,用相對論和量子力學都無法解釋,它真的存在嗎?
    而宇宙大爆炸的「奇點」,我們先不說,因為它更特殊。引力奇點的存在,是廣義相對論預言的一種現象。我們知道,廣義相對論其實是一種幾何學,所以奇點它是一個幾何上的一個點,所以說它沒有大小。不過原則上,它也可以是一維的線或者二維的膜。像之前說的,克爾黑洞這類,軸對稱的黑洞裡就不是點,而是環。
  • 從快遞到黑洞:廣義相對論給我們的饋贈
    當然廣義相對論不僅可以幫助快遞小哥精準地找到我們,還帶給我們另一項重要饋贈:今年諾貝爾物理學獎中涉及的黑洞理論。早在廣義相對論誕生100多年前的法國,數學家拉普拉斯就基於光的微粒說和牛頓的萬有引力理論提出存在一種暗星(類似今天所說的黑洞),這種暗星具有極大的質量和密度,因此能夠吸引自身發出的光。