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狂歡之后的深思 首張黑洞圖像沒有回答的三大問題
狂歡之后的深思——
首張黑洞圖像沒有回答的三大問題
左圖 錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡與事件視界望遠(yuǎn)鏡同時(shí)拍攝的照片,顯示了M87星系中心黑洞的“相對(duì)論性噴流”。
右圖 事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的M87星系中心黑洞圖像。
圖片來源:美國趣味科學(xué)網(wǎng)站
本報(bào)記者 劉 霞
4月10日,整個(gè)物理學(xué)界陷入一場集體狂歡中——位于全球各地的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”(EHT)拍攝的首張黑洞特寫照片終于面世,這張照片是黑洞存在的直接證據(jù),拉開了黑洞天文學(xué)新時(shí)代的序幕。
盡管如此,據(jù)美國趣味科學(xué)網(wǎng)站10日?qǐng)?bào)道,英國埃默里大學(xué)黑洞研究專家艾琳·邦寧說,黑洞的故事遠(yuǎn)沒有結(jié)束,狂歡之后,我們應(yīng)該明白,有幾個(gè)與黑洞有關(guān)的重要問題仍懸而未決。
黑洞巨大的熱、快物質(zhì)噴流如何產(chǎn)生?
中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員陸由俊對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者介紹說:“所有超大質(zhì)量黑洞都能吞噬附近物質(zhì),吸收穿過黑洞事件視界的物質(zhì),并以接近光速的速度將其余物質(zhì)噴射到太空中,天體物理學(xué)家稱之為‘相對(duì)論性噴流’。”
比如,此次事件視界望遠(yuǎn)鏡的拍照“模特”M87星系中心黑洞就因其令人印象深刻的噴射而聲名顯赫,它噴射的物質(zhì)和輻射遍布整個(gè)太空。它的“相對(duì)論性噴流”如此龐大,以至于它們可以完全逃離周圍的星系。
物理學(xué)家知道這種情況是如何發(fā)生的:在物質(zhì)落入黑洞的引力井時(shí),物質(zhì)被加速到極快速度,然后其中一些物質(zhì)“逃之夭夭”。但他們對(duì)這種情況發(fā)生的細(xì)節(jié)持不同意見,而最新“出爐”的這張圖像及相關(guān)文件尚未提供任何詳細(xì)信息。
邦寧說,要想弄清楚這些細(xì)節(jié),需要將覆蓋相當(dāng)小范圍的事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測結(jié)果與更大的相對(duì)論性噴射圖像結(jié)合在一起考慮。而且,她認(rèn)為,隨著位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的圖像問世,我們可能會(huì)獲得不少答案。因?yàn)殂y河系中心超大質(zhì)量黑洞不像M87星系中心黑洞那樣產(chǎn)生噴流,所以,比較兩張圖像可能會(huì)厘清一些問題。
廣義相對(duì)論和量子力學(xué)如何統(tǒng)一?
每當(dāng)物理學(xué)家聚在一起談?wù)撘粋€(gè)真正令人激動(dòng)的新發(fā)現(xiàn)時(shí),可能都會(huì)有人說:這一新發(fā)現(xiàn)或許有助于解釋“量子引力”。量子引力是物理學(xué)領(lǐng)域最大的未解之謎,是物理學(xué)江湖中的屠龍刀——得之可得天下。
陸由俊解釋稱,大約一個(gè)世紀(jì)以來,物理學(xué)家使用兩套不同的規(guī)則來解釋萬事萬物:他們用廣義相對(duì)論來解釋諸如引力這樣的大事;用量子理論來解釋非常小的事物。問題是,這兩套規(guī)則難以統(tǒng)一。因?yàn)榱孔恿W(xué)無法解釋引力;而相對(duì)論無法解釋量子行為。
那萬有引力和量子理論彼此之間就真的“水火不容”嗎?物理學(xué)家們可不這么想,他們希望未來有一天,創(chuàng)建出一個(gè)大一統(tǒng)理論,將這兩者囊括其中,而這個(gè)未問世的大一統(tǒng)理論可能涉及某種量子引力。
在首張黑洞圖像宣布之前,有科學(xué)家猜測,它可能會(huì)在此問題上取得些許突破。
但邦寧對(duì)此持不同意見。她解釋說,新圖像沒有提供可能縮小兩個(gè)領(lǐng)域之間差距的新物理學(xué)。
但她同時(shí)表示,人們希望從新圖像中獲得答案這一想法合情合理,因?yàn)楹诙搓幱暗倪吘墝⒁胛⑿〉牧孔涌臻g。
她說:“我們有望在非常非常接近事件視界的地方,或者在宇宙非常非常早期之時(shí),看到量子引力?!?/p>
霍金的理論和愛因斯坦的理論一樣正確嗎?
據(jù)陸由俊介紹,在物理學(xué)家職業(yè)生涯的早期,斯蒂芬·霍金對(duì)物理學(xué)的最大貢獻(xiàn)是“霍金輻射”理論。該理論認(rèn)為,黑洞實(shí)際上不是黑色的,隨著時(shí)間的推移,它會(huì)發(fā)出少量輻射。這一點(diǎn)非常重要,因?yàn)樗砻鳎坏┖诙赐V股L,它將開始因?yàn)槟芰繐p失而非常緩慢地收縮。
邦寧說,事件視界望遠(yuǎn)鏡沒有證實(shí)或否認(rèn)這一理論。
她說,像M87星系中心黑洞那樣的巨型黑洞,與其龐大的體型相比,其發(fā)出的霍金輻射可謂“九牛一毛”。雖然我們目前所擁有的最先進(jìn)的設(shè)備可以探測到這些黑洞事件視界的明亮光線,但幾乎無法看清超大質(zhì)量黑洞表面的超暗閃光,因此,也很難發(fā)現(xiàn)其輻射。
她說,最微小的黑洞可能是獲得這一答案的關(guān)鍵。這些最微小黑洞是一些“短命”的天體,其體型小到你可將其整個(gè)事件視界握在手中。而且,與這種微小黑洞的體型相比,其輻射相對(duì)較多。
邦寧認(rèn)為,人類最終有可能會(huì)弄清楚如何制造或找到一個(gè)這樣的黑洞并且檢測到其輻射,從而驗(yàn)證霍金理論的正確性。
黑洞恍如一位遁世的隱者,身上背負(fù)著諸多有關(guān)宇宙的奧秘,在對(duì)其驚鴻一瞥后,對(duì)其進(jìn)行深入研究,將揭示更多秘密,讓我們更好地了解宇宙、了解我們自身。
編輯:曾珂
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