文 章

一段跨越世纪的探索之旅

2021年08月03日   作者:林赵璘

(点击图片 进入论坛)

【百道编按】《引力世纪:从爱因斯坦的日食到黑洞照片》由上海科技教育出版社出版,在本书中,科学家使用事件视界望远镜记录下了黑洞事件视界附近的星光弯曲效应,让人们第一次看到了黑洞的真实模样,在最极端的情形下对爱因斯坦的理论进行了检验。

 

《引力世纪:从爱因斯坦的日食到黑洞照片》
点击图书封面可直接购买
出版社:上海科技教育出版社
作者:[美] 罗恩·考恩 著
译者:王晓涛
出版时间:2021年05月

我们人类也不过是一种高级灵长类动物,生活在一颗小小的星球上,绕着一颗普通的恒星转动。但是我们可以理解宇宙。这让我们变得不同寻常。

——霍金

黑洞、虫洞、相对论、时空扭曲、多维空间……看到这些词,你会想到哪部科幻电影呢?对,说的就是2014年诺兰导演的《星际穿越》。在天体物理学家索恩的帮助下,诺兰导演在《星际穿越》中成功地将一个超大质量黑洞的艺术化影像呈现在荧幕之上。这个在影片中被称为“卡冈图雅”的黑洞,为整个故事搭建起了壮阔的舞台,男主角更是通过黑洞最终“穿越了时空”,将故事推向了高潮。绚烂的“卡冈图雅”,令无数影迷和天文爱好者如痴如醉,而关于预示着大量未知和可能性的黑洞,荧幕前的我们也产生了无限遐想:如此神秘、连光线都能吞噬的庞然大物是如何被发现的呢?

(《星际穿越》中的“卡冈图雅”黑洞)

2020年的诺贝尔物理学奖颁发给了三位获奖者,因为“他们发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞”:英国物理学家彭罗斯证明了黑洞是广义相对论的直接产物;德国科学家根策尔和美国科学家盖兹则发现,在我们银河系的中心,有一个看不见的、质量极大的天体控制着周边恒星的轨道,目前对这个天体的唯一解释就是一个超大质量黑洞。

(2020年诺贝尔物理学奖得主:彭罗斯、根策尔、盖兹)

如今,我们都认为黑洞的存在毋庸置疑,去年的诺贝尔物理学奖也颁发给了研究黑洞的科学家。但少有人知道的是,事实上,为证明黑洞的存在,科学家们付出了长达一个世纪的努力。

故事还得从爱因斯坦和他的广义相对论说起。一个世纪以前,爱因斯坦提出了广义相对论,颠覆了传统的牛顿理论中的空间和时间概念,并预言:大质量的天体会使空间弯曲、时间减慢。

有趣的是,尽管他的方程式预言了一个超大质量的天体甚至能吞噬光线,从而形成一片“绝对黑暗”的空间,但爱因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

(爱因斯坦)

在爱因斯坦发表广义相对论不到两个月后,当时身处第一次世界大战前线、身为德军中尉的物理学家史瓦西在连天的炮火中求解了爱因斯坦的复杂方程。他发现,只要将球状系统的质量压缩进一个足够小的半径范围之内,系统就将经历一场灾难性的引力坍缩,使得光线都无法从中逃逸。史瓦西得到的这个解,其实就是今天我们所说的黑洞。可惜的是,史瓦西再也没有机会更深入地进行研究了。在得到这个解的几个月之后,年仅42岁的他就在俄国前线患上重病与世长辞,但人类对黑洞的探索也由此开始。

(史瓦西)

当年,爱因斯坦还将自己广义相对论的研究成果寄给了英国天文学家爱丁顿。或许连爱因斯坦自己也不曾想到,爱丁顿之后将会吸引全世界的注意,并且帮助爱因斯坦成为第一位举世闻名的科学巨匠。

(爱丁顿)

爱丁顿接触到爱因斯坦的颠覆性理论后非常激动,并一直希望能够对这一理论进行验证。当时身为英国剑桥大学天文台台长的他想到,如果爱因斯坦的理论是正确的,那么太阳作为质量足够大的物体,就一定会使所有经过其附近的物体的运动路径发生弯曲,即使是星光也不例外。当然,考虑到太阳本身的光芒,在正常情况下我们根本看不到它附近恒星的微弱光线,所以只有当月球恰好运行到太阳和地球的正中间,也就是日全食的时候,才有可能完成这个实验。1919年5月29日,在此前多次对日食的观测受阻失败之后,爱丁顿和同事远征千里,终于在非洲西海岸的岛屿和巴西北部完成这次重要的日食观测。

(1919年5月29日拍摄的日全食照片)

这次观测真实地发现太阳使光发生了偏折,由此确证了爱因斯坦在广义相对论中所作出的预测,甚至推翻了牛顿的相关理论。一夜之间,爱因斯坦占据了全球媒体的头条,成了第一位科学界的超级巨星。可以说,爱丁顿让爱因斯坦一夜成名。

(1919年11月10日版《纽约时报》头条)

就好比保龄球在橡胶板上弹跳时,会使橡胶板发生抖动,同样,根据爱因斯坦的理论,一个大质量物体在晃动时也会造成时空结构的波动,比如两个黑洞即将撞上彼此的时候。这样的波动,也就是引力波,会像池塘中的涟漪一样在宇宙中传播开去。

但对于自己提出的引力波是否真的存在,爱因斯坦本人也摇摆不定。不管怎样,他都认为,引力波对探测器的影响一定是极其微小的,因此不可能被探测到。

然而科学家们并没有放弃。在之后的几十年间,天文观测技术逐步发展,科学家们终于在2015年利用LIGO(激光干涉引力波天文台)首次成功观测到了引力波。这来自两个相互碰撞的黑洞的引力波,正是对爱因斯坦广义相对论最令人震撼的验证,而这一成果,也让LIGO团队的主要负责人韦斯、巴里什、索恩获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

(2017年诺贝尔物理学奖得主:韦斯、巴里什、索恩)

科学家们并没有停下探索黑洞的脚步,他们不仅要听见黑洞的“声音”,更要看见黑洞的真容。2019年,事件视界望远镜合作组织获得了有史以来的第一张黑洞照片。这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据,首次揭开了这个宇宙中神秘天体的面纱,也促成了2020年诺贝尔物理学奖的颁布。

(人类历史上第一张黑洞照片)

今年3月,事件视界望远镜合作组织又发布了最新的研究成果:M87超大质量黑洞在偏振光下的影像。这幅偏振图像提供了有关黑洞外缘磁场结构的信息,是理解磁场如何让黑洞吞噬物质并发出能量巨大的喷流的关键(路如森等,2021)。至此,人类向着理解黑洞奥秘又迈出了重要一步。

(M87超大质量黑洞在偏振光下的影像)

1916年,爱因斯坦预言了引力波的存在;2015年,人类第一次真实地观测到引力波。就这样,为了验证爱因斯坦的理论,为了揭开黑洞的神秘面纱,人类足足跨越了一个世纪。

《引力世纪——从爱因斯坦的日食到黑洞照片》用短短的篇幅和浅显易懂的文字,从爱因斯坦关于星光弯曲的伟大预言说起,一直谈到如今致力于拍摄黑洞照片的宏伟工程,在扣人心弦的故事中,带读者领略人类探索引力和黑洞奥秘的一个世纪,重温一个在科学史上绝无仅有的时代。这既是认识黑洞的入门,也可能是我们理解宇宙的开始。不论你是被《星际穿越》所震撼的天文学小白,或是对浩瀚宇宙心怀好奇的科幻迷,还是对种种宇宙奥秘如数家珍的天文爱好者,都能在本书中找到属于自己的乐趣。

(责编:佑生)

(本文原载于:上海科技教育出版社公众号)

来源:百道网

(点击图片 进入论坛)

加编辑群提问

百道学习

随时随地 百道学习

百道学习

点击图片 立即购买

百道学习

点击图片 立即购买

百道学习

点击图片 查看详情

百道学习

点击图片 查看详情

相关文章

发表评论前,请先