网络上一直有人认为,4月份科学家们公布的首张黑洞照片,与霍金有很大的关系,甚至有人认为是发现了霍金提出的黑洞辐射,因此霍金可以追授诺贝尔奖。
这是一个误解。霍金虽然在黑洞研究上做了许多探索,也取得不少科学界公认的成就,但第一张黑洞照片真得与霍金关系不大。
为什么呢?下面我们就来讨论一下。
已故科学家霍金
霍金对黑洞的研究主要是提出了黑洞辐射理论
霍金的黑洞辐射理论是属于量子层面的理论,说的是黑洞质量会通过辐射而减少。
霍金认为由于量子效应黑洞可能会往外散发热辐射,这样就会导致黑洞蒸发现象,由此黑洞的质量会逐渐减少。
但这种减少是量子级的,也就是粒子级别的。
量子力学认为,这个世界没有绝对真空,当空间趋向绝对真空时会产生虚粒子对,这种虚粒子对会很快对撞后消失。
但这种虚粒子对在黑洞视界边缘,很可能一个被黑洞强大引力吸进黑洞内部,而不被观测到,另一个却逃逸到视界之外。这样我们所观测的世界就多了一个具有质量的粒子,根据质量守恒定律,落入黑洞的那个粒子就应该带有负质量,这样黑洞质量就被减少了。
这个过程,从外界的观测者来看,黑洞质量就会逐渐变小,看起来就是慢慢蒸发了,因此这个理论也叫黑洞蒸发理论。
这个蒸发速度有多快呢?理论上越小的黑洞蒸发越快,大质量黑洞的蒸发时间长得令人发指。
有人计算,太阳质量黑洞蒸发时间需要10^67年,银河系中心400万倍太阳质量的黑洞蒸发需要10^87年,宇宙中最大黑洞蒸发至少需要10^100年。
而且研究证明,黑洞即便不吸积附近天体和星际物质,只吸收宇宙微波背景辐射,这种获得量也远远大于蒸发量。因此,大质量黑洞真正的蒸发年限是无法估量的,它一直会到天荒地老。
理论上,只有在宇宙最终死亡前,空间已经没有任何物质了,黑洞蒸发就成了纯蒸发,才有可能经历漫长的岁月蒸发殆尽。
而极小质量黑洞,比如大型强子对撞机中的人造黑洞,只有原子级或电子等粒子级,这种黑洞蒸发的能量会远远大于吸收的能量,因此会在极短时间蒸发。这个极短是多么短?也就是微秒甚至纳秒级吧。
所以许多人担忧人造黑洞会毁灭地球,实在比杞人忧天还荒唐。
但霍金辐射迄今为止还是一种科学猜想,没有被观测所证实。
人类首张黑洞照片得到的成果并没有发现黑洞辐射,与霍金一点关系也没有。
人类首张黑洞照片的重要意义至少有以下两个方面
1、是人类首张黑洞真实的照片,证实了黑洞理论预测的精确性。
通过对黑洞拍照的观察,科学家们了解了黑洞更多的细节特征,观察证实了黑洞的史瓦西半径、黑洞视界、吸积盘的存在,有助于天文学家理解喷流、吸积盘等结构的形成机理。
首次直观“看到”了真实的黑洞,进一步验证了爱因斯坦广义相对论精确预言,彰显出爱因斯坦、史瓦西等科学家们的伟大。
照片也与科学家和艺术家们原来对黑洞的艺术构想图基本一致。
原来还有一些人,甚至极少学者还认为黑洞不存在,这张照片堵住了他们的嘴,黑洞的存在已经成为无可辩驳证据确凿的事实。
2、这张照片所拍摄的黑洞,是室女座星系团中M87星系中心超大质量黑洞,质量约太阳65亿倍,距离我们有5500万光年。
能拍摄到这样遥远距离的黑洞照片,充分显示了人类现代科学技术的强大。
这张照片是20个国家和地区200多位科学家通力合作的成果。为了获得这张照片,耗资6000余万美元,将分布在世界各地的八套射电望远镜联网,形成一台相当于地球直径口径的望远镜,才得到了这张照片。
照片拍摄于4月5日~10日,只拍摄了5天,所得到的资料数据达到7PB,也就是700万G。这些数据相当于4万人拍摄一生照片的总和,科学家们“冲洗”这张照片用了两年时间。
当然这种“冲洗”不是我们常规意义上的冲洗了。科学家们从这些海量的数据中,经过解析、筛选、拼接、计算、综合,才得到这么一副精确的黑洞照片。
这张照片可以说是有史以来含金量最高最昂贵的照片了。
在拍摄照片过程中,科学家并没有观测到黑洞辐射,也没奢望观测到黑洞辐射。
因此,这张照片与霍金没啥关系,与霍金能不能获得诺贝尔奖更是风马牛不相及。
黑洞是爱因斯坦场论的一个解
首张黑洞照片与阿尔伯特·爱因斯坦、卡尔·史瓦西、约翰·阿奇博尔德·惠勒三位科学家关系最为密切。
爱因斯坦在19发表了《广义相对论》,认为如果一个天体质量非常大,引力非常强,甚至到光都无法逃脱它的引力。
因此黑洞可能存在是爱因斯坦引力场方程(见下图)的一个必然结果,是对这种天体可能存在的最早预言。但当时爱因斯坦认为自然界中很难观测到这样的天体。
19,史瓦西通过对《广义相对论》引力场方程的研究,认为如果将大量物质集中在空中一点,其周围就会产生奇异现象,即在质点周围形成一个界面~“视界”,任何物质一旦进入了这个界面,就无法逃逸,连光也不例外。
史瓦西通过数学方程,得到了爱因斯坦引力场方程的真空解,这个解明确了质量与“视界”半径的关系,后来人们把它叫做“史瓦西半径”。
史瓦西半径计算公式为:R=2GM/C
式中,R为史瓦西半径值,单位米(m);G为引力常量,取值6.67×10^-11N·m/kg;M为天体质量,单位千克(kg);C为光速,单位米/秒(m/s)。
爱因斯坦和史瓦西都没有对这种天体命名。一直到1969年,美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒在一次会议上,对这种天体使用了“黑洞”一词,从此“黑洞”开始在全世界传播,变成了这种天体的通用名词。
黑洞从此“风靡”世界。
在黑洞研究方面,钱德拉塞卡、奥本海默、霍金等科学家也作出了很多贡献。
1970年,美国“自由”号人造卫星观测到了一个与其他射电源不同的天鹅座X-1,一个比太阳质量大30多倍的蓝巨星,竟被一个重约10倍太阳质量的看不见物体牵引着,研究认为这个看不见物体就是黑洞,这被认为是人类发现的首个黑洞。
后来科学家们发现越来越多的黑洞,但都是只能通过引力现象和射电源探测到,却看不见,难窥真容。
4月10日,全球科学家同时公布的首张黑洞照片展示在世人面前,使人类第一次直观看到了黑洞的真容,可谓惊世骇俗。
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