黑洞蘊含的物理原理

2021-01-09 愛學習物理的小貓

2019年4月10日世界上的第一張黑洞照片就呈現在我們面前了,這個100年前就預言存在的天體,我們終於見到他的真面目了,但是這張照片真的是黑洞的真實面目嗎?這張黑洞照片,我們是從什麼角度看到的呢?這個吸盤他是正對著我們(那我們看到的是一個圓形的圖片 ,如下圖),還是和我們的視線平行了啊(我們會看到是一個扁平的線,如上圖)

正確答案是幾乎是正對著我們的,這個吸積盤中心的這個法矢量指向我們右方偏下的位置,和我們的這個視界形成的夾角是大概17度左右。那麼這個17度的夾角是怎麼來的呢?這個數據是根據哈勃望遠鏡拍攝了一張m87的一個噴流的照片估計測算出來的,就是最早的哈勃望遠鏡拍攝了一張m87的一個噴流的照片啊,通過這張照片仔細看m87的黑洞照片,會發現這張照片從左上到右下愛他是有一個相對較亮的暗影。這個暗影和哈勃拍攝的噴流的照片符合得很好。

但是我們看到的黑洞為什麼是上暗下亮呢?如果一束光射向遠處遠離我們,那我們看到的這束光會越來越暗,如果這束光是射向我們,離我們越來越近的光就會越來越亮。黑洞的吸積盤是會自旋的,自旋過程當中,肯定有一部分光離我們越來越近,也有一部分光離我們越來越遠。打個比方,一個圓向我們滾來,圓的上方就離我們越來越近,圓的下方就離我們越來越遠,黑洞自旋就像圓那樣。

黑洞是怎麼自轉的,結合剛才說的這個17度的傾角,就能判斷出來這個黑洞的旋轉方向,自旋方向就是面對我們順時針轉。在隨後發布的官方論文中,這個明暗對是由黑洞的自旋決定,那黑洞的自旋又是什麼呢?黑洞其實就是一種大質量的天體,理解黑洞的自旋可以一定程度上理解成地球的自轉。我們描述電子的自旋方向一般使用0、+1、-1表示,它表示這個角動量的一個參數,+1和-1分別表示自旋的兩個方向,0表示不自旋。判斷自旋方向就通過右手定則來判斷,4隻手指就代表旋轉方向,大拇指就代表自旋方向。

這個黑洞是正面對著我們,但是如果吸積盤和我們的視線是平行的,我們會看到什麼呢?正常考慮可能就是一條長長的吸盤的一個投影對吧?理論上還不是你還會看到一個接近於圓形的一個結構啊,原因就是有這個強烈的透鏡效應造成的,我們能想像的到的最真實的樣子,就是2014年這個電影星際穿越當中的卡岡圖雅黑洞,這個黑洞可不是隨便做的,星際穿越的科學顧問就是大名鼎鼎的史蒂芬筍,他是惠勒的學生,並且在2017年還因為引力波探測另外兩個人獲得了諾貝爾物理學獎,就是損根據理論模擬出來的啊,所以這是出自一位諾獎得主之手,因此卡岡圖雅黑洞也被人們稱作是最理想當中的黑洞,我們在電影當中看到的這個卡岡圖雅就是吸積盤,幾乎是和視線是平行的,但是因為黑洞的強引力透鏡效應啊,這個光線被極度的彎曲。使我們能夠看到它的後面。所以大家看到的這個黑洞的上面和下面啊,並不是真正的上下面,而是後面的這個吸盤,形成的像分裂出來的。而且無論你從哪個角度去看啊,只要你和這個吸盤是平行的,那你看到的就會是這個樣子啊,這個模擬是經過嚴格計算,唯獨有一點沒體現出來,就是都卜勒效應帶來的這個亮度的差異。

那什麼是引力透鏡呢?簡單理解就是光線被大質量物體彎曲了啊,你比如說我們看這個池塘裡的水看上去好像不怎麼深,跳下去水會發現還挺深的,因為我們看到的是折射所形成的像。再比如說放大鏡,為什麼放大鏡看東西會被放大呢?因為我們看到的是光透射所形成的像,而引力透鏡顧名思義就是引力充當了放大鏡了唄,那如果我們和看見的這個天體A之間存在著一個大質量的天體B,那我們看到天體A就會是經過引力透鏡(B天體)所形成的像。

假如呢,說在我們正前方有一個大質量的天體E,它具有很大的質量,引力大到足以彎曲光線,在這個天體E存在著一個發光的天體F,那我們能看見天體F嗎?正常下肯定是看得到的,雖然天體F被遮擋了,但如果光線發生彎曲,這個發光發熱的天體F發射出的光線在經過大質量天體E的時候恰好被彎曲了,然後射入到我們眼睛,那我們就能看見。但是我們看到的會是這個光線反向延長線的投影,所以它就不是原來的它了,可是光線她不一定只走右邊對吧?應該是這個都會經過發光天體的光線啊。理論上我們就應該看到一個發光的圈,前提是說這個人眼、大質量天體E、還有這個發光物體F,它的三點一線啊,這種情況下形成的這個光環就叫做愛因斯坦.根據這三者相對位置的不同形成的像也不同,一個、兩個、三個等等,根據現有的理論,如果是一個星系充當這個大質量天體啊,或者說這個大質量天體可以透過光線那麼所形成的像一定是奇數。如果要是黑洞這類天體碰到這個大質量天體,那一般就是成兩個相或者是一個環,這也是有嚴格的數學推導,但是需要澄清一點,就是理論上可以成效,但不代表我們能看見啊,比如說它可能成了5個像,我們可能只能看見4個像,剛才咱們說的這個能成像這都算是強引力透鏡效應。

相對的還有透鏡效應,就是雖然它不能成像,但是足以改變物體本來的樣子。其實我們觀測到遙遠的宇宙不一定是它本來的面貌,而是經過各種引力透鏡折射之後形成的像,這些光線彎彎曲曲的射進入到我們的視野裡,所以你看到的就已經不是真實的宇宙了。

我們看到的這張黑洞照片也會受到引力透鏡效應的作用,就是它可能本來是一個很單薄的一圈吸積盤,但是由於這個引力透鏡它會形成多個小重疊在一起,使整體的亮度被加強了,所以嚴格的說這張照片也不是本來的面貌,就像這個卡岡圖雅黑洞一樣。

總之關於黑洞其實我們還有很多未知的地方,也有很多搞不清楚的地方,但是這張照片的出現了還有另外一個意義,就是他和理論預言的幾乎一樣,這就表明前人所有的努力都沒有白費,這樣科學家才有動力繼續去研究。這也算是給研究黑洞的物理學家打了一針雞血,搞科研是最需要這種振奮人心的消息。用通俗易懂的語言去解釋這個世界,讓我們一起通過物理去認識這個世界,文章中可能有一些專業術語使用了一些通俗易懂的例子,但是真正的理論並非那麼簡單。

相關焦點

  • 【物理視頻】黑洞是如何誕生、消亡的?
    【物理視頻】黑洞是如何誕生、消亡的?>黑洞是根據現代的廣義相對論所預言的, 它是時空中的一個區域, 並非真的是一個「洞」。不過,黑洞的質量是如此之大, 引力場是如此之強, 以致於任何物質和輻射一旦進入該區域, 便無法逃逸, 連光也不能倖免。因此,美國物理學家惠勒將這種看不見的天區命名為黑洞。然而,黑洞也並非只會吞噬物質。
  • 物理定律不再起作用,黑洞是宇宙最可怕天體,或是一切物質墳墓
    銀河系中心就存在著一個巨大黑洞,預計與我們太陽系相距2.6萬光年,名為「人馬座A」,「人馬座A」約為太陽400萬倍,銀河系中心黑洞很可怕,如果有人不小心墜落黑洞,那麼結果只有一樣,被粉碎成離子,拉成一根細線
  • 黑洞的形成原理
    黑洞顧名思義是黑的!但它為什麼是黑的,可能很多人就不知道了。所以很有必要寫點東西來理解它。其實要解釋黑洞,首先要理解什麼是黑的。那什麼是黑的呢?其實黑的本質是不發光,甚至於不發熱。所以只要是有能量(發光發熱)的物體都會被能量比它低的物體吸熱。現在假設A物體擁有能量Ea,B物體擁有能量Eb。將A與B放在相隔不遠處。假設Ea>Eb。我們知道A、B都會向四周輻射能量。
  • 揭秘黑洞摘諾貝爾物理獎
    英國學者潘羅斯(左起)、德國學者根策爾和美國學者吉茲,因為研究黑洞而獲得今年諾貝爾物理獎。物理獎6日揭曉,英國學者潘羅斯(Roger Penrose)、德國學者根策爾(Reinhard Genzel)和美國學者吉茲(Andrea Ghez),因為研究而獲獎。
  • 論黑洞和蟲洞的秘密
    近代天文物理的奠基人並且最優秀最著名的人莫過於牛頓、愛因斯坦、霍金等:其中愛因斯坦的《相對論》影響深遠,蘊含著未來天文物理學界,在廣義相對論和狹義相對論留下了兩個最神秘的洞,開始愛因斯坦本人並不意識到這兩個洞,之後天文物理學家通過對相對論公式的推敲這兩位神秘嘉賓才漸漸浮出水面。
  • 鋼筆中的物理原理
    小小鋼筆看似普通,但從筆尖到筆身,從吸墨到寫字,其身上蘊含著豐富的物理原理。用鋼筆寫字,要先讓筆吸墨水。當把筆尖部分浸入墨水後,原本存在筆膽中的空氣被人工手動擠壓排出,此時可觀察到筆尖部分冒出氣泡。當手鬆開筆膽後,筆膽的體積恢復到初始狀態,外界大氣壓比筆膽內的氣壓大,墨水便被壓入筆膽。筆膽內的空氣排得越多,墨水則會儲存得越多。寫字時,鋼筆能自動出水。
  • 超導、不確定性原理、黑洞,因一個問題被聯繫了起來!
    這使物理學家越來越相信,一種未知的組織原理支配著粒子的集體行為,並決定著它們如何傳播能量和信息。哈佛大學理論物理學家Subir Sachdev認為,理解這種組織原理可能是進入「量子奇異性最深處」的關鍵。
  • 科學家再次捕獲到引力波信號 蘊含信息超乎認知
    該發現不僅讓現代人佩服愛因斯坦的前瞻性,還為許多天體物理理論提供支撐。引力波既然和黑洞相似,那麼它應該和漣漪一樣存在中心擾動源,那麼促使引力波形成的因素是什麼呢?現有理論認為是黑洞之間的互動,包括黑洞之間的合併、黑洞之間的碰撞等等。引力波信號一般情況延續的時間並不長,那麼該信號中隱藏著什麼信息呢?
  • 解讀「香蕉球」、「落葉球」與「電梯球」所蘊含的物理學原理
    插曲之一:少年往事高中時期,我們物理老師是一位鐵桿足球迷,他經常把物理學與足球結合起來講述,潛移默化中,我們許多人也成了球迷。記得一次老師講勻加速直線運動,有一道習題提到了火車站站臺設置護欄的事情(註:舊式火車站跟現在的高鐵站不同,現在的高鐵站用黃色警戒線取代了護欄)。解答題目之前,老師問為什麼火車站要設置護欄。接著他說,這個跟貝克漢姆踢弧線球的原理基本一致。
  • 首次瞥見黑洞中心附近存在的物理現象!超越黑洞奇點
    博科園-科學科普:理論物理學類我們第一次瞥見黑洞中心附近存在的物理現象,是通過「環量子引力」得以實現。環量子引力是一種利用量子力學將引力物理學擴展到愛因斯坦廣義相對論之外的理論。博科園-科學科普:論文發表在2018年12月10日的《物理評論和物理評論》上,似乎是「編輯建議」,也在《物理》中的觀點文章中突出顯示。物理學教授埃文普(Evan Pugh)說:我們今天擁有最好的引力理論是廣義相對論,但它有局限性,例如廣義相對論預言,宇宙中有一些地方引力是無限的,時空只是結束,把這些地方稱為「奇點」。但就連愛因斯坦也同意,廣義相對論的這種局限性源於它忽略了量子力學。
  • 一道物理競賽題揭開「希羅噴泉」的神秘面紗,到底什麼物理原理?
    多數初二的中學生朋友們現在都已經在學習壓強知識,這一塊知識屬於中考物理必考重點內容,所佔分值很高,所考查題型非常廣泛,而且多是力學知識的綜合性應用,因此屬於中考的一個難點,中學生朋友們在遇到有關此類複雜問題時,往往頭疼不已。
  • 生活中的物理——高壓鍋的原理
    我們經常用高壓鍋做飯,它為什麼能又快又好地把飯做好呢,它又蘊含了哪些物理小知識呢,在此筆者就其中的一些知識與讀者探討。高壓鍋高壓鍋的原理水的沸點受大氣壓的影響人們常用的高壓鍋就是利用這個原理設計的。高壓鍋把水相當緊密地封閉起來,水受熱蒸發產生的水蒸氣不能擴散到空氣中,只能保留在高壓鍋內,就使高壓鍋內部的氣壓高於1個大氣壓,也使水要在高於100℃時才沸騰,這樣高壓鍋內部就形成高溫高壓的環境,飯就容易很快做熟了,並且相當酥爛。當然,高壓鍋內的壓力不會沒有限制,要不就會爆炸。
  • 關於黑洞,你一定要知道的物理知識!
    2020年的諾貝爾物理學獎已經在十月六日揭曉,今年的諾貝爾獎並沒有如普遍預測的一樣頒給粒子物理或者凝聚態物理,而是頒給了對於宇宙中最「黑暗」的天體——黑洞的研究。羅傑·彭羅斯,賴因哈德·根策爾,安德烈婭·蓋茲分享了這個獎項。
  • 一個簡單的等式看懂黑洞奇點的奇異程度
    在黑洞的中心奇點處r=0,我們看到空間徑向坐標dr∧2的係數即空間徑向度規為0,這代表著空間在奇點上處於無限壓縮的狀態,也就是所有進入黑洞奇點的物質其體積都會變為0;而時間坐標c∧2dt∧2的係數即時間度規變為負無窮大,這意味著時間在黑洞奇點處失去了應有的物理意義。
  • 黑洞探索者:霍金缺席的諾貝爾物理獎毫不失色
    黑洞早就該獲諾獎中科院高能物理研究所研究員張雙南接受《中國新聞周刊》採訪時說,黑洞的理論預言與發現是宇宙學領域的重大進步,應該在很久之前就獲諾獎,但一直遲遲未得,是業界很大的遺憾。黑洞理論過了這麼多年都沒有獲諾獎,業內猜測可能是諾獎委員會比較慎重,此前覺得證據不是那麼的確鑿。
  • 黑洞?它們就像全息圖
    根據義大利國際高等研究院(SISSA)、國際理論物理中心(ICTP)和義大利國家核物理研究所INFN的最新研究,黑洞可以像全息圖一樣,將產生三維圖像的所有信息編碼在二維表面上。正如量子理論所證實的那樣,黑洞可能是極其複雜的,在兩個維度上集中了大量的信息,就像自然界中一塊超級硬碟。
  • 宇宙中有黑洞和白洞,白洞是什麼呢?工作原理又是什麼呢?
    黑洞是所有空間中最奇怪的結構之一,巨大而神秘的,有著強大的奇點,物理法則瓦解了。人們認為他們可以掌握生活的秘密,宇宙的一切。然而,目前的假想對手可能更奇怪,這是公開的,今天要回答一個特別的問題,白洞是如何工作的?黑洞是具有如此強烈的引力的物體,以至於任何東西都無法逃脫它們的引力。
  • 白矮星與黑洞
    黑洞裡面有什麼?只能從理論上推測。假如一位勇敢的人駕駛飛船奔向黑洞,他感受到的第一件事就是無情的引力。
  • 黑洞穩定性和「臨界質量」問題
    白矮星、中子星和黑洞的形成符合物理哲學引力論的等效原理。不同質量大小的老年恆星在生命周期的最後階段停止了輕元素向重元素的核聚變反應,恆星的外殼物質從主體脫落,主要部分的核心物質在自身重力的單邊作用下迅速產生了塌縮,巨烈的塌陷過程相當於死亡恆星發生了大爆性。
  • 黑洞是什麼誰發現的 黑洞照片怎麼拍的原理科普
    新華社上海4月10日電題:跨越5500萬光年的曝光:原來你是這樣的黑洞!  新華社記者陳芳、董瑞豐、王琳琳  2019年4月10日,人類終於看見黑洞真容!  這張在全球多地同步公布的「大片」,證實了神秘天體黑洞的存在,也使得愛因斯坦的百年猜想終得檢驗!