一段跨越世纪的探索之旅|《引力世纪——从爱因斯坦的日食到黑洞照片》

  我们人类也不过是一种高级灵长类动物,生活在一颗小小的星球上,绕着一颗普通的恒星转动。但是我们可以理解宇宙。这让我们变得不同寻常。
                                    ——霍金


  黑洞、虫洞、相对论、时空扭曲、多维空间……看到这些词,你会想到哪部科幻电影呢?对,说的就是2014年诺兰导演的《星际穿越》。在天体物理学家索恩的帮助下,诺兰导演在《星际穿越》中成功地将一个超大质量黑洞的艺术化影像呈现在荧幕之上。这个在影片中被称为“卡冈图雅”的黑洞,为整个故事搭建起了壮阔的舞台,男主角更是通过黑洞最终“穿越了时空”,将故事推向了高潮。绚烂的“卡冈图雅”,令无数影迷和天文爱好者如痴如醉,而关于预示着大量未知和可能性的黑洞,荧幕前的我们也产生了无限遐想:如此神秘、连光线都能吞噬的庞然大物是如何被发现的呢?

  2020年的诺贝尔物理学奖颁发给了三位获奖者,因为“他们发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞”:英国物理学家彭罗斯证明了黑洞是广义相对论的直接产物;德国科学家根策尔和美国科学家盖兹则发现,在我们银河系的中心,有一个看不见的、质量极大的天体控制着周边恒星的轨道,目前对这个天体的唯一解释就是一个超大质量黑洞。

  如今,我们都认为黑洞的存在毋庸置疑,去年的诺贝尔物理学奖也颁发给了研究黑洞的科学家。但少有人知道的是,事实上,为证明黑洞的存在,科学家们付出了长达一个世纪的努力。

  故事还得从爱因斯坦和他的广义相对论说起。一个世纪以前,爱因斯坦提出了广义相对论,颠覆了传统的牛顿理论中的空间和时间概念,并预言:大质量的天体会使空间弯曲、时间减慢。

  有趣的是,尽管他的方程式预言了一个超大质量的天体甚至能吞噬光线,从而形成一片“绝对黑暗”的空间,但爱因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

  在爱因斯坦发表广义相对论不到两个月后,当时身处第一次世界大战前线、身为德军中尉的物理学家史瓦西在连天的炮火中求解了爱因斯坦的复杂方程。他发现,只要将球状系统的质量压缩进一个足够小的半径范围之内,系统就将经历一场灾难性的引力坍缩,使得光线都无法从中逃逸。史瓦西得到的这个解,其实就是今天我们所说的黑洞。可惜的是,史瓦西再也没有机会更深入地进行研究了。在得到这个解的几个月之后,年仅42岁的他就在俄国前线患上重病与世长辞,但人类对黑洞的探索也由此开始。

  当年,爱因斯坦还将自己广义相对论的研究成果寄给了英国天文学家爱丁顿。或许连爱因斯坦自己也不曾想到,爱丁顿之后将会吸引全世界的注意,并且帮助爱因斯坦成为第一位举世闻名的科学巨匠。

  爱丁顿接触到爱因斯坦的颠覆性理论后非常激动,并一直希望能够对这一理论进行验证。当时身为英国剑桥大学天文台台长的他想到,如果爱因斯坦的理论是正确的,那么太阳作为质量足够大的物体,就一定会使所有经过其附近的物体的运动路径发生弯曲,即使是星光也不例外。当然,考虑到太阳本身的光芒,在正常情况下我们根本看不到它附近恒星的微弱光线,所以只有当月球恰好运行到太阳和地球的正中间,也就是日全食的时候,才有可能完成这个实验。1919年5月29日,在此前多次对日食的观测受阻失败之后,爱丁顿和同事远征千里,终于在非洲西海岸的岛屿和巴西北部完成这次重要的日食观测。

  这次观测真实地发现太阳使光发生了偏折,由此确证了爱因斯坦在广义相对论中所作出的预测,甚至推翻了牛顿的相关理论。一夜之间,爱因斯坦占据了全球媒体的头条,成了第一位科学界的超级巨星。可以说,爱丁顿让爱因斯坦一夜成名。

  就好比保龄球在橡胶板上弹跳时,会使橡胶板发生抖动,同样,根据爱因斯坦的理论,一个大质量物体在晃动时也会造成时空结构的波动,比如两个黑洞即将撞上彼此的时候。这样的波动,也就是引力波,会像池塘中的涟漪一样在宇宙中传播开去。

  但对于自己提出的引力波是否真的存在,爱因斯坦本人也摇摆不定。不管怎样,他都认为,引力波对探测器的影响一定是极其微小的,因此不可能被探测到。
       
  然而科学家们并没有放弃。在之后的几十年间,天文观测技术逐步发展,科学家们终于在2015年利用LIGO(激光干涉引力波天文台)首次成功观测到了引力波。这来自两个相互碰撞的黑洞的引力波,正是对爱因斯坦广义相对论最令人震撼的验证,而这一成果,也让LIGO团队的主要负责人韦斯、巴里什、索恩获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

  科学家们并没有停下探索黑洞的脚步,他们不仅要听见黑洞的“声音”,更要看见黑洞的真容。2019年,事件视界望远镜合作组织获得了有史以来的第一张黑洞照片。这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据,首次揭开了这个宇宙中神秘天体的面纱,也促成了2020年诺贝尔物理学奖的颁布。

下一页

      相关新闻: