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一個參加一戰的德國炮兵中尉計算出的半徑引發了百年的黑洞探索

一個參加一戰的德國炮兵中尉計算出的半徑引發了百年的黑洞探索

1915年,愛因斯坦用他無與倫比的物理直覺,提出了廣義相對論,用一種全新的視角重啟了人類的宇宙觀。廣義相對論的最凝練的核心數學表達式被稱為愛因斯坦方程,不過當時這個方程只有近似解。

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愛因斯坦方程發表20天後,一個參加了第一次世界大戰的德國炮兵中尉,在戰爭前線給愛因斯坦寄了一封信,信中除了一篇論文,這個中尉的名字叫卡爾·史瓦西。

這篇論文給出了愛因斯坦方程的第一個精確解!

隨後,戰場上的史瓦西又寄出了第二篇論文。

他指出,根據物體的質量可以計算出一個半徑,如果把這個物體的所有質量壓縮到這個半徑以內,這個物質就將無止境的往中心掉落,形成一個時空極端彎曲的奇點。

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隨後不久,史瓦西患上了戰壕中的流行病「天胞瘡」,天妒英才,2個月後他病逝於家中,一顆天文學物理學巨星就此隕落。

他第二篇論文計算的這個半徑,後來被稱為「史瓦西半徑」。任何物質,包括光,都無法從史瓦西半徑內逃出。

太陽的史瓦西半徑約為3千米,地球的史瓦西半徑只有約9毫米。如果太陽被壓縮到3千米半徑大小,那麼,光將無法從太陽內部逃出。

現在我們知道了,這種極端天體叫做黑洞,這就是對於黑洞最早的預言。

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很難想像,自然界會產生如此緻密的天體,這個很難想像,包括當時的大部分天文學家。

廣義相對論,從提出開始,就在遭受質疑,因為根據這個理論,給出了很多重要的預言,而這些預言又顯得過分光怪陸離,讓人不敢相信。

然後,隨著時間的發展,這些預言逐漸獲得了實驗和觀測的證實,相對論,也成為了現代物理中與量子力學比肩的兩根支柱。

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1919年,廣義相對論提出4年後,英國天文學家亞瑟·愛丁頓和同事,分別率領一支遠征隊趕赴巴西和南非。利用日全食的寶貴時機,測量太陽附近恆星的位置一一對比,證實了愛因斯坦對於引力場使光線偏轉的預言,而且偏移程度符合相對論預言的幅度。這是第一個被觀測證實的愛因斯坦預言。

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1939年,美國理論物理學家奧本海默等人指出,當中子星的質量超過某一極限,超重的中子星將必然繼續坍塌下去,而且似乎沒有什麼力量阻止這種坍塌。

隨著理論研究的深入,物理學界逐漸的建立了對這種極端天體的共識,並於1967年被惠勒正式命名為「黑洞」。

1972年,美國天文學家使用探空火箭搭載的X射線探測器,發現了位於天鵝座的一個強X射線源,黑洞成為解釋這種強X射源形成機制的一把鑰匙。

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1974年,美國天文學家拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒,使用當時世界上最大的單口徑射電望遠鏡,發現了一顆位於雙星中的毫秒脈衝星。

廣義相對論預言,兩個天體相互繞轉時,會由於攪動時空,發出引力波損失軌道能量,最終兩兩顆星之間的距離衰減,兩位天文學家發現,這顆脈衝星的脈衝到達的時間系統性的在逐步偏移,正好符合這一理論。這是對廣義相對論大的有一次驗證,這兩位天文學家也因此獲得了諾貝爾物理學獎。

1979年,法國天文學家讓-皮埃爾·盧米涅利用一台運算能力只有蘋果4萬分之一的晶體管計算機計算得到光強等高線圖之後,親自動手,用一個個墨點繪製了第一張計算機模擬得到的黑洞模擬圖像。

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時間到了廣義相對論發表整整一百年後,2015年,美國激光干涉引力波天文台(LIGO)第一次直接探測到雙黑洞合併時間產生的引力波。促成這一發現的幾位物理學家幾乎立即獲得了2017年的諾貝爾物理學獎,人類第一次聽到了黑洞發出的漣漪。

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但是我們沒有親眼看見,觀察黑洞之所以困難,主要原因是太遠,比如銀河系中心的黑洞,距離我們有25000光年,比在地球上拍一顆月球上的橙子還要難,需要的望遠鏡的口徑非常大。

2017年,經過十幾年的協調,8台全球頂尖的毫米波望遠鏡加入了解析黑洞輪廓的行列,利用分布地球各地的這些望遠鏡,組成了一個矩陣,其有效口徑達到了地球直徑大小。

2017年4月的4個觀測夜,對銀河系和M87中心黑洞進行了觀測,經過兩年的數據處理,距離愛因斯坦誕辰整整140年,距離廣義相對論提出104年後,我們終於等到了第一張直接觀測到的黑洞照片。

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這次的直接成像,除了確認了黑洞的存在,同時也通過模擬觀測數據對愛因斯坦廣義相對論做了驗證。在視界面望遠鏡的工作過程和後來的數據分析過程中,科學家發現,觀測到的黑洞陰影和相對論所預言的幾乎完全一致,愛因斯坦的偉大再一次讓世人驚嘆,斯人已逝,但他的成果將永遠被人類記住。

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