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科技向将来 黑洞——时空弯曲的超等旋涡(上)

发布时间:2019-10-08 已有: 人阅读

  讲解:1916年,天文学家史瓦西按照爱因斯坦的广义,预言了“黑洞”的存正在。人类正在100多年的时间里不竭地探究黑洞能否实正在存正在,大量天文不雅测数据已,正在的傍边,有无数的黑洞奥秘地藏身于各星系中。但人类却从未间接“看”到过黑洞线日,由“事务视界千里镜” 历时两年多处置阐发的首张黑洞照片终究问世,奥秘的“黑洞”才实正被我们“看见”。这也再度激发人们对太空摸索的热度。

  掌管人:绚丽七十年,科技向将来!大师好,这里是国度监委网坐《科技向将来》,我是掌管人张静。科学手艺从来没有像今天如许深刻影响着国度前途命运,也从来没有像今天如许深刻影响着人平易近糊口福祉。我们《科技向将来》就聚焦大师最关怀的前沿科技,今天这一期活动,我们就要和大师来聊聊“黑洞”。良多伴侣晓得比来“黑洞”是屡次刷屏,我相信良多伴侣都很是的猎奇,这个黑洞的奥妙到底是什么。今天我们为大师邀请到的是中国科学院上海天文台副台长——研究员。接下来,我们把时间交给他。

  讲解:,物理学家,中科院上海天文台副台长,上海天文台学术委员会从任,中国科技大学理学博士。

  :今天我给大师讲一讲黑洞的工作。起首什么是黑洞?黑洞是中一种很是特殊的,它的时空曲率很是大,大到连光都无法逃脱。这句话不是太好懂,我给大师打两个简单的例如。我想正在座的人良多都有坐正在地面上扔石头的一个履历,无论你用多大的气力,石头城市落回到地面,缘由是由于石头的速度不敷大,没有跨越地球的一个叫“逃逸速度”。这个“逃逸速度”指的是描述一个引力强弱的一种量,它是取决于这一个的质量以及它的大小。设想里边有一种,它的质量很是的大,可是大小又很是的小,那么这就意味着它的引力就很是的强,它的逃逸速度若是是大于或者等于光速的话,那么即便本来是发光的,光子也逃脱不出这个对它的引力的,所以这个看起来就是黑的,这就是黑洞。

  对于黑洞的严酷意义上的研究,该当是从1915年算起,那一年爱因斯坦提出来了他的出名的广义。那么第二年一位的物理学家叫卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild),他就第一次获得了爱因斯坦提出的场方程的一个严酷解,发觉了黑洞的一个存正在,从那当前科学家们就一曲对这个问题进行不竭的研究。这张图片就是科学家们计较出来的黑洞的一个照片。这是颁发正在1980年摆布物理学的一本上的一个出名成果。

  其实远远不止是科学家,良多艺术家们,例如说我们的片子导演们,对黑洞这个话题也常感乐趣的。那么现正在屏幕上的两张照片就是从出名的《星际穿越》里边拿到的两个关于黑洞的镜头。这两个镜头跟我们现正在理解的黑洞曾经很是相像了,可是所有这些都仅仅是我们的想象。

  曲到比来我们人类才初次获得了黑洞的一张照片。那么再给大师展现这张照片之前,我想起首强调一下,我们科学家对获得这张照片付出了多大的勤奋。我们这一次不雅测到的黑洞,它的半径大要有几十亿公里,听起来曾经很是大了,可是这个黑洞距离我们地球很是的遥远——5500万光年,意义是什么呢?光每秒钟的速度是30万公里,即便是光也要跑5500万年才可以或许达到我们的地球,所以距离常的遥远。那么我们正在地球上不雅测这一个黑洞的话,差不多就相当于我们正在要看清晰放正在巴黎的一张上的文字,所以你能够想象常难的。

  科学家们要想给黑洞摄影的话,那么起首需要处理的一个问题就是分辩率。可以或许看清晰很是遥远的一个细节的一个能力,次要是取决于两个量,一个是你不雅测的波长;别的一个就是千里镜的口径,就是说千里镜有多大,那么这两个要素分析起来考虑,目前我们正在地球上的科学家可以或许达到的最好的分辩率是通过射电千里镜获得的。那么具体到这一次黑洞的不雅测,我们的不雅测波长是一毫米摆布,然后我们用到的千里镜是把地球上位于分歧处所的八个千里镜结合起来一路构成的,那么现实上构成的虚拟的千里镜,它的大小相当于地球的曲径,所以很是很是大的一个千里镜。

  说到这个射电,我还要提一下,射电不雅测很是的坚苦。此中一条,它要求位于地球上分歧处所的八台千里镜它们的时间必必要脚够的切确,如许的话才可以或许把分歧的千里镜获得的消息信号放到计较机里进行一个叫的处置。那么这些千里镜的时间切确度要高到什么程度?我们必必要用一个叫原子钟的一种仪器来对分歧的千里镜进行计时,这个原子钟的切确度相当于几亿年时间,它的误差还不到一秒钟,很是很是细密的一个仪器。

  第二个难度是拍完了照片当前,要想洗照片也常很是的坚苦。起首它的数据量很是的大,每一台千里镜每一秒钟不雅测,它获得的数据是4个GB。那么你能够想象这一次是用了八台千里镜,不雅测了五天的时间,它的数据量有多大,大到什么程度呢?这些数据曾经无法通过收集传输到我们的计较机核心对它们进行合成阐发了。

  这时候我们必必要回到了一个原始的法子,就是每一台千里镜它的不雅测数据用一个硬盘存起来,然后用飞机运到了别离位于马普射电天文所以及美国MIT麻省理工学院的两个处所,用超等计较机对它们进行数据处置。

  这些数据处置起来难度很是的大,我们这一次国际合做一共有200多个科学家,曾经是一个很是大的团队了。处置这个数据用超等计较机也用了两年的时间,这就是为什么曲到比来我们才可以或许获得第一张黑洞的照片。

  也许正在座的会问,我们为什么要花这么大气力来拍摄黑洞这个照片?我想第一个谜底是满脚人类的猎奇心,并且猎奇心恰是我们进行天然科学研究的一个最原始的驱动力。里边存正在这种黑洞,黑洞又是这么奇异的一种,莫非你不想看一看它的实正在面孔吗?莫非你不想看看它到底长什么样吗?

  给黑洞摄影还有它很主要的科学意义,那么第一个意义就是为了查验爱因斯坦的广义能否准确。通过把千里镜拍到的实正在黑洞照片跟广义预言的黑洞照片进行对比,我们来看一看分歧不分歧,就可以或许查验爱因斯坦的广义准确取否。

  好,说到这里,我想我们能够一路来看一下初次获得的黑洞照片到底是个什么样子。这就是我们获得的黑洞照片,从这张照片上我们能够看到两个出格较着的布局,第一是正在它的核心部位是一个黑色的,我们把它叫暗影的一种布局,光度很是的低;别的环抱核心的黑色暗影有一圈发亮的布局,我们把它叫亮环,这个亮环我们能够看到它是不合错误称的,那一部门相对来说不是很亮,而下面这部门相对来说愈加亮一些。核心的黑色暗影,它并不是黑洞的大小,它的黑色区域要比黑洞的半径要大两倍以上。

  黑洞既然引力这么强,我们强调了连光都无法逃脱,为什么四周还有一个发光的圆环?这个发光的圆环就跟我适才给大师引见的黑洞吸积相关。我们学过物理都晓得能量是要守恒的,气体跟着往黑洞下落的过程,从远到近,它的温度变得越来越高,到了黑洞附近的时候,达到很是很是高的一个温度,那么如许的一个高温气体就必然发出很是强的辐射,这个辐射就是我们看到的亮环的来历。

  那么为什么这个亮环不合错误称?上边一部门相对比力暗,下边一部门相对比力亮?次要的缘由就是一种叫多普勒效应的现象,听说发光的这些气体往黑洞下落的过程中它是有扭转的,一部门气体扭转是朝着黑洞,别的一部门是远离黑洞。那么这种环境下就会有一种叫多普勒效应,朝着我们来的气体发出来的光就会变强变亮,而远离我们的就会变得比力暗淡。

  正在获得黑洞照片的过程中,我们的科学家现实上仍是付出了良多的勤奋。别的一方面这也是科学研究做为一种职业它最吸惹人的一个处所,对于科学家来说,他每天面临的问题都是从来没有被处理过的一些问题,都是里边的一些奥妙。

  正在这里我想给大师分享一下我小我的一个例子。1999年,整整20年前,科学家们初次获得了黑洞吸积过程的一个超等计较机做出来的模仿成果,阿谁模仿的成果跟我们原先料想的很是的纷歧样。那么缘由是什么呢?

  其时国际上就发生了两个学派,这两个学派的领头人都是美国科学院的院士,都是国际上很是顶尖的物理学家。一派认为气体没有落到黑洞视界里,是由于一种叫对流的一种物理过程正在起感化;别的一派认为它鄙人落的过程中都变成外流变成风、丧失掉了。这两派他们其时谁都没有谁,辩论了差不多有十几年的时间。2012年我们上海天文台的课题组,就对这个问题做了细致的一个研究,最终我们发觉,哈佛大学学派可能是不合错误的,斯坦福阿谁学派可能是对的。正在这里我想插一句,哈佛大学学派的领头人是我昔时正在哈佛大学做博士后的导师,所以从这个意义上来说,我把本人导师的理论给了。当然了他终究是一个很是正曲严谨的、实正的科学家,他其时当然对这个问题很是的注沉,特意从美国飞到了上海跟我特地当面会商。最初我终究把他给了,他认可了我的成果的准确性,然后后来我们还一路,正在三年当前又结合颁发了一篇文章申明这个问题是怎样回事。所以通过这件事,我想申明的是这些年来我们国度的天文学确实是成长的比力好,我们终究可以或许至多正在个体问题上,实正地登上了国际舞台,可以或许有本人的一席之地。

  别的一个例子就是天文和物理学界,国际上有一个很出名的一个综述性期刊叫《天文和物理学年评》。这个期刊是国际上的最权势巨子的一个综述性的期刊,一年只颁发1期,每一期只要十几篇文章,它都是邀请国际上对某一个范畴最顶尖的科学家,对这个范畴近一二十年以至更长一个时间的成长做一个综述性的评述。到目前为止,我们中国的天文学工做者曾经正在这个上颁发了三篇文章。所以致多正在这三个范畴,我们中国的天文学工做者能够说是走正在了国际前列。

  我想说也恰是由于这些年来我们中国天文学工做者不懈勤奋,所以正在这一次给黑洞拍摄第一张照片的严沉国际合做中,我们才可以或许有幸成为国际合做团队的一员。中国()这一次一共有16个科学家参取了此次国际合做,并且还有一位科学家最终进入了一个由五位科学家构成的论文颁发小组。我们通过此次国际合做可以或许进入国际舞台,究其底子也是我们国度科技前进、国度强盛的一个标记。

  天文学是一个不雅测的学科,严沉的不雅测仪器的建制常主要的。新中国成立这些年来,我们先后有好几个很是主要的不雅测仪器曾经建成。例如说从晚期的位于兴隆的一个2.16米光学千里镜;例如说正在射电波段,我们有很是出名的中国天眼,位于贵州的500米口径的FAST;正在光学波段,我们有LAMOST,大视场的光谱的一个巡天的千里镜;然后正在伽马射线波段,我们有暗物质探测卫星千里镜——悟空;还有正在X射线波段,我们有一个X射线调制千里镜——HXMT,所有这些都标记着我们中国天文学的一个成长。

  正如习总指出的,中国要强盛、要回复,就必然要鼎力成长科学手艺,勤奋成为世界次要科学核心和立异高地。告竣这一方针是我们科技工做者的一个和担任,也但愿通过本人的不懈勤奋,最终实现把我们的国度扶植成世界科技强国,实现这一伟风雅针,同时也为整小我类的科学成长做出我们中国的贡献。

  掌管人:感谢袁台长出色的,同时我们要感激袁台长和所有天文工做者的辛勤付出。通过您适才的,我们看到了中国人正在扶植科技强国的历程傍边,正正在迈出本人的程序,我们每一小我都为之骄傲。接下来有请袁台长。

  您好,袁台长,欢送。适才您正在傍边,我看到黑洞的照片,这张照片该当是全球同步发布的,我晓得我们中国的发布地址就是您所正在的上海天文台,是如许吗?

  :这一次全球的国际合做,中国()一共有16位科学家参取,此中有8位是从上海天文台,所以上海天文台是这一次国际合做正在中国这一部门参取的牵头者、组织者,也是参取人数最多的,这就是为什么此次旧事发布会放正在了上海。

  掌管人:其实我们也看到跟着中国分析国力的提拔,我们中国科学家的贡献也是日益凸显出来,我想这张黑洞照片的发布也是充实申明了这一点。

  今天我们演播室还为大师请到了两位出格的嘉宾,他们一位是中国科学手艺馆副研究员、科技史博士赵洋,别的一位是获得中国科幻最高——银河的青年科幻做家江波,掌声有请二位。

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