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没想到,家里的浴缸和黑洞之间有这样的关系
送交者: 赵本水[♂★★犇龘飝鱻麤骉★★♂] 于 2020-11-06 11:39 已读 7808 次  

赵本水的个人频道

在去年4月,你我成为了见证黑洞真面目的第一代人,它的照片你还记得么?真就是黑乎乎的,还带着橘色光圈。 6park.com

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这张照片所拍摄的位置距离地球约5500万光年,黑洞的质量为太阳的65亿倍,照片也被比作在地球表面分辨出月球表面上的饼干形状。 6park.com

而如今,科学家基于这一成果,推出了黑洞在过去8年间,也就是从2009年到2017年的动态演变过程。 6park.com

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(来源自:Event Horizon Telescope,gif由Nature编辑)
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图像简单却来之不易,它由事件视界望远镜(EHT)与其他天文台合作,利用黑洞的旧数据和数学模型相结合,最终才展示出这一画面。 6park.com

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黑色的夜空,几百年来让天体物理学家魂牵梦萦。 6park.com

黑体辐射的研究,孕育了随后的量子革命。 6park.com

黑洞,一直是宇宙中富有魅力的独特存在。 6park.com

暗物质、暗能量,则是当代宇宙学里神秘的假说。 6park.com

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好奇心不分文理,今天推荐的这本暗黑之书,综合了哲学、艺术、文学的新视角,这里有爱因斯坦的相对论,也有保罗·萨特的哲学,有霍金的黑洞,也有波德莱尔的诗句……而且语言深入浅出,大众也能看得懂。不信?让我们一起来了解一下,神秘莫测的黑洞,和你家的浴缸之间有什么关系。 6park.com

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和行星以及恒星一样,黑洞也可以旋转。然而,一个旋转的黑洞不会像陀螺一样在一个静止的外部空间中转动,它以一种旋涡式的不可抵抗的运动驱动着它周围的时空。 6park.com

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一艘运动中的飞船,在黑洞附近的区域里会发生什么呢? 6park.com

为了理解这一点,让我们和清空浴缸水时看到的旋涡来做个类比。 6park.com

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在这种情况中,水在做一个螺旋运动,这个螺旋运动可以分解为一个围绕出水口的圆周运动和一个朝向出水口下方的径向运动。 6park.com

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现在,让我们想象有一艘船行驶在湖面上,而湖底有一个类似清空浴缸时的那种旋涡,而这艘船行驶到了旋涡附近。船的发动机可以让船的最高时速达到20千米。 6park.com

在远离旋涡的地方,水面依然比较平静,显然船长可以任意航行,因为有发动机的动力,尽管有水的驱动力导致船发生缓慢的偏移,他依然可以校正航向。因此船长不用抛锚就可以控制自己的船和湖岸的距离,他可以让船靠近或者远离旋涡,甚至可以逆水流方向航行。 6park.com

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当靠近旋涡的中心时,船最终会进入一个区域,在这个区域里水流旋转流动的速度和船的最高时速相等。在这个临界距离以下,即使船的行驶方向是旋涡的相反方向、发动机全速运行,船也无法保持固定的位置,它将无法抗拒地被推向旋涡的旋转方向。 6park.com

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操纵船的可能性降低,可能的行驶方向也不再是任意的:船只能向前移动,旋涡旋转得越快,船在区域中就越受限制。 6park.com

舵手是可以摆脱这一尴尬情况的,只要他要把油门全开,根据一个外向的螺旋轨迹正确地定位航向,并将船引向远离旋涡中心的方向就行。 6park.com

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但如果船冒险地去靠近旋涡中心,那么在一个时刻,水流的径向速度会达到每小时20千米,这就是船的极限速度。这是真正的麻烦开始的时候:掌控航向的可能性变得非常低,于是船别无选择,只能被拉拽到旋涡中心…… 6park.com


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在旋转的黑洞周围,情况是类似的。一艘接近黑洞旋涡的飞船。也要承受黑洞旋转导致的时空驱动力。这个运动在一个被称作「静态极限」的曲面里,成为一种必然。 6park.com

在这个区域内,即使宇宙飞船的速度可以达到光速,它也无法与遥远的恒星保持相对静止! 6park.com

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当我们继续接近黑洞时,我们会再看到黑洞视界,它是黑洞的真正边界,是一个任何物质都无法逃脱的界限。一个旋转黑洞的视界,完全被包含在静态边界内。 6park.com

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对于一个旋转的黑洞来说,在静态极限处,时间仿佛「冻结」了,发射的辐射被接收时伴随着无限的红移。但是,物质和辐射最终会被限制在黑洞的表面。位于静态极限和视界之间的时空区域被称为能层,因为它的属性可以让我们从中提取出能量。 6park.com

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英国物理学家彭罗斯想象了下面这个巧妙的机制: 6park.com

在一个远离黑洞静态极限的位置上,我们朝能层方向抛射一个物体。这个抛射物的设计使得它可以在操作者设定的时间分成两部分。 6park.com

如果我们认真挑选初始轨迹,那么其中一部分最终将被黑洞捕获,而另一部分则会穿过能层并被收回。 6park.com

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彭罗斯证明,抛射物这样被发出,可以使得被收回的那部分的能量大于初始抛射物的能量。这就使得被黑洞捕获的那部分在落入黑洞时,运动的轨迹是与一个黑洞旋转方向相反的螺旋轨迹。 6park.com

逃脱黑洞的那部分所收回的能量来自哪里呢?来自黑洞! 6park.com

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对于黑洞来说,这个操作最终导致的结果就是质量增加,以及旋转能量下降。因此,旋转的黑洞起到的是一个巨大的能量储备的作用,如果我们足够熟练,就可以从中获取能量。 6park.com

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看到这里,不难理解,黑洞的惊人属性为何成为了科幻作家最常用的主题之一。这些可以扰乱周围时空的迷人星体,常常被用作通往其他宇宙的「大门」。 6park.com

在电视剧和小说中,太空旅行是通过人造黑洞完成的,人们也可以通过黑洞之间的桥梁获得在太阳系中移动的能力。 6park.com

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