人类首张黑洞照片已经发布,看到黑洞的真容,你想说点什么?(1)

北京时间2019年4月10日晚9时许,包括中国在内,全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据,有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

这是人类第一次凝视曾经只存在于理论中的天体——黑洞,一种体积极小、质量极大的天体,如同一个宇宙“吞噬之口”,连光也无法逃逸。

露出真容的黑洞,位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。

百余年前,爱因斯坦的广义相对论率先对黑洞作出预言,从此成为许多科幻电影的灵感源泉。科学家陆续通过一些间接证据证实了黑洞的存在,但人类始终没有真正“看到”过黑洞。这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据,证实了爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

让我最震惊的其实是数学的强大和恐怖,这种由数字和符号组合成的学科仿佛真的是上帝创世的工具。

广义相对论是爱因斯坦最伟大的成就,当然也是近代大尺度物理学/宇宙学最伟大的成就。1915年,爱因斯坦提出了著名的“爱因斯坦场方程”,简称EFE,这个方程描述了物质和能量所导致的时空弯曲,是广义相对论的最凝练的核心数学表达式。

1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,这个解表明,如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。

像这种依靠数学就预言宇宙级别天体或者现象的理论框架比比皆是,比如爱因斯坦预言的引力波,那是在他提出100年之后的今天才正式的,当时的科学家们仿佛完全不需要依靠实际证据,而宇宙大爆炸的奇点也是根据数学公式推导出来的,而关于数学无心插柳导致的重大发现在科学史上屡见不鲜,其中最有趣的就是量子的发现。

普朗克最终将只适合长波范围与短波范围内两个公式统合的过程着实搞笑,也显示了数学这种工具强大而恐怖的功能。距第二次物理学大奇迹年仅仅相隔五年的1900年,在柏林大学那间堆满了草稿的办公室里,普朗克为了那两个无法调和的公式绞尽脑汁,最终精疲力竭的他决定暂时放弃那些费劲的推导和假设,而是玩起了数字游戏,他借助自己熟悉并且擅长的内插法(一种数学方法)开始随意拨弄起维恩分布公式和瑞利—金斯公式,没想到却玩上了瘾,之后的几天他一直沉迷于这种数字游戏中,然后……他就拼凑出了一个公式,当然这只是几天里他拼凑的众多公式之一,但是这个公式是如此的与众不同,看上去似乎正符合要求!在长波的时候,它表现得就像正比关系一样。而在短波的时候,它则退化为维恩公式的原始形式,而这就是即将揭开量子理论神秘面纱,提出量子化假说的普朗克黑体公式,这个公式将之前的两个公式合二为一,完全适合所有的波长情况,最搞笑的是,发明这个公式的普朗克最初根本都不知道是这个公式为啥是正确的。事实上,这种看起来扯淡的事实在科学史上屡见不鲜,为什么科学家有的会变成神的信徒,有时候灵感或者运气更像是神的恩赐。

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