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也來聊黑洞和暗物質

(2023-12-15 09:50:31) 下一個

2019年4月19日,人類史上第一張關於黑洞陰影的高分辨率圖像照片得以向公眾展示。這件事,被認為是天理物理界的Milestone。它的成就主要在兩點,1,關於廣義相對論的預測得以證實,2,超大質量黑洞極高能噴流形成的原因被解釋。

簡單來說,黑洞可以理解成和Planeten一樣的天體,特點是極小體積有極大質量,這個特征使它對在周圍環境中存在的物體能產生超級強大的吸引力,包括光或其他電磁波都無法離開或穿過該區域。

愛因斯坦的廣義相對論預測的是,應該有一種能使時空變形的超濃縮物質(會)形成黑洞。

同其他天體一樣,黑洞也是有邊界的,盡管不能用我們常見的三維空間定義,那個邊界,被稱為event horizon。1974年,Stephen Hawking在結合廣義相對論和量子力學理論的基礎上,提出Hawking Radiation存在的假設。這個假設說,應該存在一種thermal black-body radiation,會在event horizon向外發出熱黑體輻射(thermal black-body radiation)

——這個貌似和上麵黑洞的定義相悖?

我知道。多說一個關於霍金輻射的預言,它極其微弱,比當前最好的望遠鏡預測能力都低很多很多數量級。

什麽意思?

——到目前為止,人們還沒有能力觀測到。

所以這個黑洞存在證明的照片(不是黑洞的照片哦盡管很多媒體都稱之為黑洞照片),被稱為shadow of the black hole。這件事,是由Event Horizon Telescope(EHT project)實現的。

是的,這是一個由遍布全球各地的射電天文望遠鏡共同合作完成的一個奇跡。各地的射電望遠鏡同時開動,記錄黑洞引起的信號, 保存的測量結果通過數據存儲介質(機架)傳送到計算機中心(例如波恩的射電天文研究所的 VLBI 相關器)與硬盤驅動器,然後在那裏被分析。

不能通過互聯網發送的原因是,數據量太大。單個望遠鏡不可能實現這件事的原因是,角分辨率達不到要求。

這當然算是天體物理界的傳奇之一,如同我前麵聊到的Minerva-B計劃,或者當年的原子彈計劃,都屬於人類真正的collaboration,完全拋開種族,國籍,信仰,性別,年紀這些,

It makes us human.

嗯,我也參加過類似的一個項目,當然規模小多了,是關於第三代航天飛行器的研製。我負責的,是那裏麵最小的齒輪的材料的成分(多了不能再說了主要我也不知道了)。

當時開會老板經常交代,不能外傳的噢,我們都簽了保密協議的——然後又搖頭,哎,其實我們開會作報告好多數據早公開了。

所以我一直開玩笑說我如果失業最好哪家公司慧眼收買我,讓我去替他們收集科技情報好了,我太知道從哪裏下手了。

回到那張照片。

如同Minerva-B計劃一樣,EHT project當然也不是沒目標整個宇宙亂放電,當時選的是從可能的黑洞中從地球觀測角直徑最大的,一個是我們銀河係的Sagittarius A-Star,另一個是Type-cD galaxy中的M87-Star。

那張照片是後者。那個黑洞,估算重達65億太陽質量,距地球5千萬光年。項目啟動的時間,是2009年。

如何推測有黑洞?很簡單,算出來的,類似太陽係中Neptune的發現。Uranus的運行軌道被發現同預測結果不符,被推測可能是由另一顆未知行星引起——當然人們向那個方向去找。

一擊而中。

然後呢,Pluto也呈現出很奇怪的運行軌道,應該是受其它天體影響。行星還是黑洞?不知道。

黑洞的得名,原因之一是,人們是不可能直接觀測到它們的。暗物質?也差不多同理。

一個理論是,我們生活的宇宙時空,被小小的顆粒狀暗物質填滿。由於它們之間的作用彼此抵消,它們不僅僅不可以被觀測,也不會對我們造成人和物理影響。

但是在銀河係中就不一樣了。

太陽的運動,觀測到的結果比計算結果快太多太多了,沒理由不懷疑有其他不明物質存在。銀河係之外的結果?更糟糕。那些星體的運行速度快到不能解釋,或者說,宇宙空間必然是存在大量我們不可見的物質,也就是暗物質。

還有呢,宇宙膨脹的速度太快了,並且越來越快,這是不對的,唯一可能的解釋,是大量暗物質的存在。目前的結論是,宇宙空間,僅有5%的物質是被觀測到的,25%史完全不可能觀測到的,75%是從物理的角度不可能被觀測到的。

科學是一套很嚴謹的體係,其實哲學也是,任何一個小小的結論也許是幾十年甚至幾代人努力的結果。不過以我的觀察,貌似中文的科普類信息,不僅低估了當今科學的發展和結論的可靠性,也低估了哲學的嚴密和邏輯。很遺憾。

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