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物理系學生的黑洞照片小科普

黑洞照片小科普

黑洞是時空奇點,不論是這個世界上最聰明的人,還是最厲害的計算機都不能窺探到其中究竟,但是,人類的智慧卻不會止步於小小的阻礙,即便我們無法知道黑洞裡面究竟是什麼,也無法知道黑洞到底在這個廣袤無垠的宇宙中是怎樣的存在,我們依舊可以通過不同的方法曲徑通幽,計算和模擬出這個連光都可以吸進去的黑色奇點的外部性質。 既然是時空奇點,那必然和愛因斯坦的廣義相對論關係密切,因為廣義相對論的最重要討論就是時空關係,而黑洞作為奇點就代表了時空的終點,那麼,這次黑洞的照片很自然的就引發了人們對廣義相對論的討論。毋庸置疑,這次黑洞照片的相關研究是廣義相對論的又一次驗證,正如發布會的大佬所說,觀測照片是對廣義相對論的直接驗證,但是,究竟是怎麼驗證的呢?通俗來說,在這次可以直接觀測之前,科學家們受制於技術手段,只能通過計算機模擬來獲取黑洞的直觀形象,而在模擬圖像的過程中需要利用廣義相對論來計算出黑洞的外部時空性質(時空彎曲)從而獲得黑洞外部的結構性質(吸積盤,噴流),做完這些,還得預測光在引力場之中的偏折最終獲得模擬的黑洞圖像。這次獲得的圖像,跟這些模擬圖像很好的契合了,誤差在科學的預測範圍之內,簡單說就是猜的東西和眼睛看到的長得一樣,就可以說明我們猜對了,所以廣義相對論作為猜的依據也就自然正確了。

很多善於思考的人們又要問了,不是說黑洞能把光吸進去嗎,那我們還怎麼能看到它拍它的照片呢?關於這個問題,我們就需要認真討論一下我們究竟是怎麼看到黑洞的了。不錯,黑洞的確能把光吸進去,但是黑洞卻沒有強大到可以把所有的光都吸進去,黑洞在吸收它周圍氣體的過程中,氣體圍繞黑洞高速旋轉(可以想像水池放水形成的漩渦),由於旋轉的速度非常大,氣體之間的摩擦碰撞十分劇烈,勢能轉化成的動能有很多轉化成了熱從而發出了光。在這些光沒有落入事件視界(Event Horizon)之前,絕大部分還是可以逃脫引力的限制進入星際空間之中被我們發現的。而事件視界之內便是我們所假想的黑洞內部,沒有任何的光和物質能夠逃脫,這次我們很清楚可以看見這次黑洞照片在光環中心有著一個明確的黑色區域,在這個黑色區域的內部就藏著黑洞的事件視界。我為什麼不直接說黑色區域就是事件視界呢?就是因為事件視界的外部不遠處,光子仍然逃脫不了引力,最終旋轉著落入黑洞,所以我們看到的黑色球體其實是比事件視界大的,通常來說是兩到三倍的視界半徑。

介紹了一部分的黑洞知識,這次拍攝照片的「相機」是什麼樣的呢?從專業的角度來說,這個大相機其實是利用了甚長基線干涉技術,通俗來說就是在世界各地多個望遠鏡同時觀察,然後再利用光學知識將得到的信息整合,通過超級計算機處理並加工成最終的黑洞圖像。為什麼要利用這麼多相機一起拍呢?因為通過光學知識我們可以知道越大口徑的望遠鏡解析度越強,也就是越大的眼睛看到的越清楚。通過這種干涉技術,我們可以將分布在全球的各個望遠鏡模擬成一個具有地球大小口徑的望遠鏡,從而得到我們人類的視覺極限。雖然最終拍到的照片仍然很模糊,但是其實相比千萬光年的距離,我們已經做的非常好了,這相當於我們分辨月球上的一顆蘋果的難度,所以大家也不用抱怨現在看不清,相信在將來我們的技術還會突破極限的。

還有這樣的聲音:2017年就看到了黑洞,2018年霍金去世,等到2019年才公布黑洞的照片,這不是成心跟霍金過不去嗎?其實不是這樣的,的確,我們只用了十天的時間就已經獲得了所有的觀測數據,已經得到了「相機膠捲」,但是這些望遠鏡洗照片卻不像相機洗照片那麼容易。據說這次的觀測過程中,一秒鐘我們能夠獲得的信息量就已經超過了36Gb,這樣的信息量已經無法通過網路來實時傳遞處理了,更不必說十天觀測所獲得的信息量了。在觀測的過程中我們通過精確校準的原子鐘進行對時,各地的天文台分別同時觀測,再將儲存信息的硬碟統一通過超級計算機進行數據處理,而這個級別的信息量是真的整整處理了兩年,才還原出黑洞的真實全貌。 往往偉大的科學成就總是會伴有質疑的聲音,這次也不例外,很多人都懷疑這張照片的真實性,但是,這張照片卻是的的確確真實的。

這次的項目通過全世界的科研團隊共同研究,各個大的科研團隊細分為很多小的團隊,相當於一個相同的問題會有一系列不同的團隊獨立處理,最終將不同團隊之間的處理結果進行比對,只有各個團隊都做出完全相同或者十分相似的結果時,才會認同這個研究結果,所以這次研究相當於是一邊進行一邊驗證的,並行的實驗結果為大家所認可,也就具有可靠性。

誠然,我們無法說什麼東西一定是正確的,但是通過嚴格的邏輯推理、由大家共同驗證並且公認正確的知識,是可以在一定範圍內承認它的價值的,這也就是這次研究成果的可靠之處。 對於這次黑洞照片的發布,我們每個生活在這個時代的人都應該感到幸運,自己能夠見證這樣偉大的科學成就,雖然我們錯過了愛因斯坦生活的年代,但是我們卻依然能夠感受到他偉大成就的巨大影響力,這是多麼幸福的事情。這次的黑洞照片只是這項偉大研究的開端,至於後續的科學成果,讓我們翹首以盼。

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