黑洞是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種天體。黑洞的引力很大，使得視界內(nèi)的逃逸速度大于光速。
1916年，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)通過(guò)計(jì)算得到了愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)真空解，這個(gè)解表明，如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周圍會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點(diǎn)周圍存在一個(gè)界面——“視界”一旦進(jìn)入這個(gè)界面，即使光也無(wú)法逃脫。這種“不可思議的天體”被美國(guó)物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名為“黑洞”。
黑洞的神奇之處在于，事件視界在我們的三維宇宙中是二維的。這意味著黑洞中存在有一些我們無(wú)法認(rèn)知的事物。
盡管近幾十年來(lái)，科學(xué)家對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)有了巨大的進(jìn)步，但宇宙從何而來(lái)仍是一個(gè)懸而未解之迷，神秘的黑洞也同樣令天文學(xué)家大為困惑。現(xiàn)在，一些科學(xué)家開(kāi)始考慮這兩者是否以某種方式存在聯(lián)系。
在時(shí)間的開(kāi)端，即138億年前，整個(gè)宇宙只有一個(gè)致密熾熱的能量點(diǎn)，描述空間、時(shí)間、物質(zhì)和能量的物理定律在這里不再適用——這就是奇點(diǎn)。然后，宇宙大爆炸，直至今天的模樣。
在目前的宇宙中，唯一會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn)并且物理定律完全失效的另一個(gè)地方就位于黑洞的事件視界之中，這是當(dāng)前的科學(xué)理論所無(wú)法解釋的。事件視界就像一層具有防護(hù)性且不透明的包圍繞著黑洞。
在2014年首次提出并且目前正在接受嚴(yán)肅審查的理論聲稱，我們的宇宙是誕生自一個(gè)巨型黑洞的奇點(diǎn)。
簡(jiǎn)而言之，我們的三維宇宙有可能圍繞著一個(gè)四維宇宙的事件視界。
這項(xiàng)2014年來(lái)自周理論物理研究所(Perimeter Institute)和滑鐵盧大學(xué)(University of Waterloo)的研究認(rèn)為，在這一假設(shè)下，當(dāng)一顆恒星在四維的宇宙中坍縮成一個(gè)黑洞時(shí)，我們的宇宙就此形成。
最近，來(lái)自波蘭的路易克拉克大學(xué)(Lewis & Clark College)的物理和天文學(xué)教授Ethan Siegel重新審視了這個(gè)理論，他解釋了一個(gè)黑洞如何在另一個(gè)宇宙中形成，而導(dǎo)致物質(zhì)“落入”我們的宇宙。
Siegel博士認(rèn)為，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)黑洞從恒星核心的內(nèi)爆和坍縮中形成時(shí)，事件視界第一次出現(xiàn)，然后隨著越來(lái)越多的物質(zhì)持續(xù)落入其中，事件視界迅速擴(kuò)張并持續(xù)增長(zhǎng)。
如果把一個(gè)坐標(biāo)網(wǎng)格放在這個(gè)二維的包圍上，那就會(huì)發(fā)現(xiàn)它起源于網(wǎng)格線非常緊密的地方，然后隨著黑洞的形成而迅速擴(kuò)張，再之后隨著物質(zhì)以低得多的速度落入其中而使得擴(kuò)張變得越來(lái)越慢。至少在概念上，這與我們所觀測(cè)到的我們?nèi)S宇宙的膨脹速率相吻合。
那么，我們的宇宙不是起源一個(gè)奇點(diǎn)，而是作為不斷增長(zhǎng)的四維黑洞所產(chǎn)生的包圍嗎?科學(xué)家不能排除這種情況，雖然更高的維度可能是在于我們的經(jīng)驗(yàn)之外，但它們可以很好地解釋我們的宇宙起源。
宇宙中的超級(jí)謎團(tuán) 銀河系中央黑洞竟是蟲(chóng)洞
宇宙中的超級(jí)謎團(tuán)，銀河系中央黑洞竟是蟲(chóng)洞。宇宙對(duì)于人類來(lái)說(shuō)充滿著神秘感，人們想要知道宇宙之中到底存在著那些秘密，但是隨著調(diào)查的深入，謎團(tuán)卻越來(lái)越多。
黑洞是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種密度無(wú)限大體積無(wú)限小的天體。黑洞的引力很大，使得視界內(nèi)的逃逸速度大于光速。黑洞無(wú)法直接觀測(cè)，但可以借由間接方式得知其存在與質(zhì)量，并且觀測(cè)到它對(duì)其他事物的影響。借由物體被吸入之前的因高熱而放出和γ射線的“邊緣訊息”，可以獲取黑洞存在的訊息。
時(shí)空洞(sofa)又稱愛(ài)因斯坦-羅森橋，也譯作蛀孔或蠹孔。是宇宙中可能存在的連接兩個(gè)不同時(shí)空的狹窄隧道。蟲(chóng)洞是1916年由奧地利物理學(xué)家路德維希·弗萊姆首次提出的概念，1930年由愛(ài)因斯坦及納森·羅森在研究引力場(chǎng)方程時(shí)假設(shè)的，認(rèn)為透過(guò)蟲(chóng)洞可以做瞬時(shí)的空間轉(zhuǎn)移或者做時(shí)間旅行。
據(jù)英國(guó)媒體2016年10月22日?qǐng)?bào)道，意大利一項(xiàng)最新研究成果顯示，銀河系的中央可能確實(shí)存在著通往另一個(gè)宇宙的巨大入口，而且這個(gè)入口完全可以容納一艘宇宙飛船通過(guò)。根據(jù)這項(xiàng)最新研究，與電影中通過(guò)時(shí)空隧道實(shí)現(xiàn)星際穿越的方式類似。
人類可以通過(guò)蟲(chóng)洞(天體物理學(xué)術(shù)語(yǔ)，又稱愛(ài)因斯坦-羅森橋，是宇宙中可能存在的連接兩個(gè)不同時(shí)空的狹窄隧道)，前往另一個(gè)宇宙是完全有可能的。意大利學(xué)者在《物理年鑒》(Annals of Physics)刊物上發(fā)表的這項(xiàng)最新研究成果認(rèn)為，銀河系中存在的扭曲時(shí)空的黑洞——集中重力的區(qū)域，可能就是偽裝的蟲(chóng)洞。
此前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系存在著超大的黑洞。這些意大利科學(xué)家根據(jù)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型做出了上述結(jié)論，稱這個(gè)入口可能是由暗物質(zhì)組成的。意大利的里雅斯特市高深研究國(guó)際學(xué)院(International School for Advanced Studies)地帕羅·薩盧希(Paulo Salucci)教授說(shuō)，他們的結(jié)論是，銀河系可能確實(shí)存在著至少一個(gè)隧道，大小甚至可能與星系一樣大。
薩盧希說(shuō)，與銀河系類似，其他星系也可能存在著蟲(chóng)洞。他說(shuō)，根據(jù)他們的推測(cè)，人們可以通過(guò)這些隧道穿梭、航行，如同電影中星際穿越鏡頭中所看到的情景。只能說(shuō)，科學(xué)家目前想的太天真了，事情絕非如此簡(jiǎn)單。
在巨型旋渦星系中發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞
近日，中歐射電天文學(xué)家在巨型旋渦星系ngc5252的星系盤附近發(fā)現(xiàn)了另一顆伴有顯著射電噴流的超大質(zhì)量黑洞。相關(guān)成果發(fā)表于《英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》。發(fā)現(xiàn)這類雙黑洞系統(tǒng)，將有助于天文學(xué)家探索巨型星系和黑洞形成之謎。
ngc5252是一顆距離銀河系大約300萬(wàn)光年的巨型旋渦星系。2015年，天文學(xué)家注意到其星系盤附近存在一個(gè)結(jié)構(gòu)致密的奇異天體cxoj133815.6+043255，它從高能x射線到射電波段都有很強(qiáng)的輻射。為了揭示其射電輻射背后的秘密，瑞典onsala天文臺(tái)博士、上海天文臺(tái)客座研究員楊軍領(lǐng)導(dǎo)了一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用歐洲甚長(zhǎng)基線干涉網(wǎng)，對(duì)其開(kāi)展了史上最高分辨率的成圖觀測(cè)研究。
新疆天文臺(tái)博士楊小龍表示，“從分辨率接近毫角秒的圖像上看，這個(gè)奇異天體擁有結(jié)構(gòu)致密的射電噴流。”其導(dǎo)師劉祥指出，“此噴流最有可能產(chǎn)生于一顆超大質(zhì)量黑洞。”考慮到ngc5252星系中心還存在著一顆超級(jí)黑洞，上海天文臺(tái)研究員安濤強(qiáng)調(diào)，“兩顆超級(jí)黑洞距離如此接近，并且都有射電噴流，這是異常難得的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)。”
這個(gè)黑洞是如何游弋到ngc5252星系附近的?這對(duì)超級(jí)黑洞是否最終會(huì)合并到一起?對(duì)此，天文學(xué)家目前尚無(wú)法給出明確答案，但如果能發(fā)現(xiàn)更多類似的成對(duì)超級(jí)黑洞系統(tǒng)，天文學(xué)家將能通過(guò)統(tǒng)計(jì)研究方法探索這類雙黑洞系統(tǒng)的起源和命運(yùn)。
如何在實(shí)驗(yàn)室里制造一個(gè)黑洞？
黑洞是物理學(xué)家的寶：我們可以在它身上，看到許多奇特的物理現(xiàn)象，驗(yàn)證許多物理學(xué)概念，但是目前，我們還沒(méi)有辦法對(duì)黑洞進(jìn)行直接觀測(cè)。
黑洞不產(chǎn)生任何輻射。它們既不發(fā)光，其本身也不釋放X射線。沒(méi)有這些媒介，望遠(yuǎn)鏡無(wú)法工作。
幸運(yùn)的是，物理學(xué)家辦法很多，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里造出了形形色色的模擬黑洞，試圖通過(guò)間接的方法，揭開(kāi)許多謎團(tuán)。
JeffSteinhauer是一位來(lái)自以色列理工學(xué)院物理系的學(xué)者。他宣稱用一個(gè)模擬的黑洞，確認(rèn)了霍金輻射的存在。在霍金的預(yù)言中，黑洞能夠緩慢地產(chǎn)生輻射。而這種輻射，是由黑洞視界處正負(fù)粒子對(duì)的自發(fā)產(chǎn)生引起的。
視界是一切——包括光線在內(nèi)——都無(wú)法逃離的黑洞邊界。視界處自發(fā)產(chǎn)生的粒子對(duì)中，如果有一個(gè)被黑洞俘獲，那么另一個(gè)就會(huì)被拋入太空。
Steinhauer的實(shí)驗(yàn)，首次向人們展示了視界處可能確實(shí)存在著某種符合霍金計(jì)算結(jié)果的自發(fā)性波動(dòng)。
但該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，是否足以證明宇宙中的黑洞會(huì)產(chǎn)生霍金輻射還是有疑問(wèn)的。原因就在于，Steinhauer的黑洞并不是嚴(yán)格意義上的黑洞。我們無(wú)法制造出足以形成黑洞的強(qiáng)大引力場(chǎng)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，Steinhauer用聲波替代了光。
“這些聲波，就像是在河中逆流而上的人，河水的流速遠(yuǎn)高于人游泳的速度.Steinhauer說(shuō)。
他的研究團(tuán)隊(duì)把一團(tuán)原子氣體云冷卻到了接近絕對(duì)零度，制造出了一種所謂的“玻色-愛(ài)因斯坦”凝聚態(tài)物質(zhì)。在把氣流加速到超音速后，人們便得到了一個(gè)聲波無(wú)法逃逸的系統(tǒng)。
Steinhauer的觀測(cè)結(jié)果，以論文的形式發(fā)表在了八月出版的《自然-物理學(xué)》雜志上。他不但在實(shí)驗(yàn)中對(duì)霍金輻射進(jìn)行了研究，還觀測(cè)了墜入黑洞和未墜入黑洞的粒子間存在的“糾纏”特性。
模擬黑洞的概念，其實(shí)在1980年代就已經(jīng)有了。當(dāng)時(shí)是由WilliamUnruh提出來(lái)的,是直到2009年，人們才在實(shí)驗(yàn)室中造出實(shí)體。
科學(xué)家的目的，大多是想用這種方法來(lái)觀測(cè)霍金輻射。Steinhauer也是如此，他有幸成為第一位成功者。
事實(shí)上，他設(shè)計(jì)的這個(gè)模擬黑洞，在科研中有廣泛的使用價(jià)值。許多科學(xué)家相信，通過(guò)這種方式，人們或許能夠更加有信心地去面對(duì)當(dāng)今物理學(xué)中的最大難題——如何將不相容的引力理論和量子力學(xué)結(jié)合起來(lái)。
要模擬一個(gè)黑洞，可以有各種方法。但它們的原理是相似的：要有一個(gè)臨界點(diǎn)，能夠用來(lái)對(duì)應(yīng)黑洞的視界;要有某種振蕩，能夠用來(lái)對(duì)應(yīng)光。
玻璃
2010年，一些來(lái)自米蘭大學(xué)的物理學(xué)家，用強(qiáng)烈的激光脈沖照射二氧化硅玻璃，制造出了一個(gè)模擬黑洞。他們還在這個(gè)“黑洞”身上觀測(cè)到了霍金輻射。
這些科學(xué)家先是朝著二氧化硅玻璃內(nèi)部發(fā)射了一個(gè)激光脈沖，該脈沖的強(qiáng)度足以改變玻璃的折射率。隨后他們發(fā)射第二個(gè)。
由于折射率已經(jīng)被改變，因此第二個(gè)脈沖在玻璃內(nèi)的傳播速度會(huì)變慢，且最終停滯。通過(guò)這樣的方法，他們?cè)斐隽艘粋€(gè)光線無(wú)法穿透的“視界”。
偏振子
2015年，一個(gè)由HaiSonNguyen領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，向人們展示了一種利用偏振原理制造出來(lái)的聲波黑洞。
偏振子是一種名為“準(zhǔn)粒子”物質(zhì)的奇特狀態(tài)，它們由光子和被光激發(fā)的物質(zhì)混合而成。該裝置的主體部分是一個(gè)用砷化鎵制成的微型空腔。空腔上有一個(gè)缺口。聚集于空腔內(nèi)部的激光一旦擊中腔體，便會(huì)在缺口處產(chǎn)生偏振子。缺口處的激發(fā)粒子運(yùn)動(dòng)速度一旦超過(guò)音速，就會(huì)形成一個(gè)聲波無(wú)法逃逸的視界。
該團(tuán)隊(duì)到目前為止，還沒(méi)能在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中觀察到霍金輻射。但學(xué)者們相信，在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)測(cè)量粒子流密度的變化，來(lái)感知逃離粒子帶來(lái)的波動(dòng)。如果把偏振子冷卻到“玻色-愛(ài)因斯坦”凝聚態(tài)，人們還可以用它來(lái)模擬蟲(chóng)洞。
水
洗澡的時(shí)候，在我們的趾間流入排水口的水，竟然與黑洞有著某些相似之處。諾丁漢大學(xué)的SilkeWeinfurtner博士制造了一個(gè)可被稱為“浴缸旋渦”的模擬黑洞。這是一個(gè)2000升的方形水槽，中心有一個(gè)傾斜的漏斗。水從水槽頂部和底部注入。水一旦抵達(dá)漏斗處，便會(huì)在角動(dòng)量的作用下形成一個(gè)旋渦。
在這個(gè)“黑洞”身上，與光線對(duì)應(yīng)的，是水面的漣漪;如果我們往水流中扔一個(gè)石子，離旋渦越近的漣漪就越難擴(kuò)散。因此存在著這么一個(gè)臨界點(diǎn)，能夠讓漣漪無(wú)法擴(kuò)散——這個(gè)臨界點(diǎn)，就是它的視界。
該實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬自旋黑洞附近的奇特物理現(xiàn)象尤其擅長(zhǎng)，而這正是Weinfurtner研究的課題。
Weinfurtner的麻煩在于，這個(gè)黑洞不具量子特點(diǎn);一切都存在于常規(guī)狀態(tài)下，因此我們只能從它身上觀察到經(jīng)典力學(xué)現(xiàn)象。“這不是一個(gè)純凈的系統(tǒng)，”她說(shuō)。“但我們可以隨意擺弄它，它經(jīng)得起折騰。相信同樣的現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生在天體物理學(xué)里。”
