黑洞是宇宙中最致密
也最神奇的天體
經(jīng)過漫長的等待，在全球200多位科學家的努力之下，世界上第一張黑洞照片終于出來啦。
發(fā)布會中，公布的照片長這樣下面這樣，圓圓的，紅紅的，好像還有點糊。
發(fā)布會公布黑洞照片
這張照片要怎么看呢？讓超模君帶你去看一下。
知識點一：黑洞本體看不見
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知識點二：周邊的紅色是經(jīng)過處理的
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知識點三：光圈是非對稱的
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知識點四：這張照片是拼湊出來的
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最后，最重要的是，愛因斯坦百年前（1915年）提出的廣義相對論，通過這次照片證明，它是對的！
假如你想知道更多關(guān)于黑洞的知識，可以點擊下圖，查看昨天超模的首圖文。
今天，作為人類史上第一張黑洞照片出爐，它的歷史意義毋庸置疑是要出現(xiàn)在以后的教科書里的。
為了紀念這個歷史時刻，相比于科普知識，超模君更想帶你去再次了解一遍人類在發(fā)現(xiàn)黑洞過程，那個漫長而曲折的故事。
最早的黑洞概念
雖然黑洞這個名詞是20世紀才提出，但是早在18世紀末，英國物理學家約翰·米歇爾和法國數(shù)學家拉普拉斯就曾預言過這種神秘天體的存在。
1783年，米歇爾在英國皇家學會做了一場報告，他提出了一個觀點：有可能存在一種引力強到連光也無法從其周圍逃逸的天體，也就是所謂的“暗星”。
無獨有偶，1796年，數(shù)學家拉普拉斯所撰寫的《宇宙體系論》中也指出了存在暗星的可能性。
拉普拉斯
那米歇爾與拉普拉斯所說的暗星是個什么概念呢？讓我們從一個簡單的思想實驗說起。
如果你站著一座高樓的樓頂，沿水平方向扔出一塊石頭；過一段時間后，這塊石頭就會落回地面。 然后，你越發(fā)用力地扔石頭。隨著這塊石頭的初速度不斷增大，它落回地面的時間也會越來越晚。如果你給這塊石頭的初速度超過了7.9km/s，它就不會再落地了，而會像地球衛(wèi)星一樣繞著地球旋轉(zhuǎn)。 這還沒有完，因為你還可以繼續(xù)提高石頭的初速度。如果這個初速度超過了11.2km/s，它就可以掙脫地球引力的束縛并離地球而去。這個能掙脫地球引力束縛的速度，就是地球表面的逃逸速度。
一個天體表面的逃逸速度，只取決于這個天體的質(zhì)量和半徑。如果天體的半徑固定不變，其表面的逃逸速度會隨著天體質(zhì)量的增大而增大；反之，如果天體的質(zhì)量固定不變，其表面的逃逸速度會隨著天體半徑的減小而增大。
也正是這個非常簡單的逃逸速度，催生了暗星的概念?？上н@個暗星理論提出沒多久，就遭到了當頭一棒。
要解釋暗星理論遭遇了怎樣的打擊，我們需要先介紹一個困擾人類好幾百年的超級難題：光到底是什么東西？
光是什么？
關(guān)于光的本性，史上曾經(jīng)出現(xiàn)過兩大學派：其中一派是以牛頓為代表的粒子說，認為光由某種堅硬的粒子構(gòu)成；另一派是以惠更斯為代表的波動說，認為光是某種介質(zhì)的波動。
但由于牛頓的巨大威望，在整個17世紀中，光的粒子說占據(jù)了上風。也正是基于光的粒子說，米歇爾和拉普拉斯才把逃逸速度和光速聯(lián)系在一起，進而提出了暗星理論。
但19世紀初，英國著名物理學家托馬斯·楊做了一個實驗，把原本高高在上的粒子說打入了萬丈深淵。
托馬斯·楊
這就是著名的楊氏雙縫實驗。
讓一束光，從左到右先通過一個有一條狹縫的擋板S1，再通過一個有兩條狹縫的擋板S2，最后照到一個接受屏F上。從理論上講，如果光真由粒子構(gòu)成，由于中間那兩條狹縫的遮擋，右邊的接受屏上將只會出現(xiàn)兩條狹縫形狀的亮線。
不過在實際做實驗的時候，托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)在被擋板遮住的區(qū)域內(nèi)，同樣出現(xiàn)了很多明暗相間的條紋。
換句話說，光并非一直走直線，而在行進的過程中發(fā)生了拐彎。這就不是粒子能做到的事了，必須是波才可以。換言之，楊氏雙縫實驗發(fā)現(xiàn)了一個只能用波動說、而不能用粒子說來解釋的現(xiàn)象。
這對暗星理論而言也是一個大噩耗。因為引力只能作用在光粒子上，而無法作用于光波。
既然理論不能成立，拉普拉斯也在1808年，他對《宇宙體系論》進行了再版，并且刪掉了所有關(guān)于暗星的內(nèi)容。
暗星理論重出江湖
從那以后，暗星理論早已被人遺忘在歷史的垃圾堆。
但在20世紀初，故事又發(fā)生了反轉(zhuǎn)。
當時德國物理學家普朗克和愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，同樣存在必須用粒子說、而不能用波動說解釋的現(xiàn)象。
也就是光其實既是一種粒子，又是一種波，這就是所謂的波粒二象性。
1915年12月，一位叫卡爾·史瓦西的天文學家注意到《德國科學院院刊》上的一篇文章提出了一個全新的理論，那就是愛因斯坦的廣義相對論。
卡爾·史瓦西
廣義相對論有一個最核心的方程，叫愛因斯坦引力場方程，而且此方程非常復雜。愛因斯坦本人也無法找到它的精確解……
史瓦西一下子就對這個公式感了興趣。只花了幾天的時間，就快刀斬亂麻地找到了愛因斯坦引力場方程的一個精確解，那就是著名的史瓦西解。
史瓦西解描述了一個有質(zhì)量、無轉(zhuǎn)動、無電荷的球?qū)ΨQ天體，其周圍的時空具有怎樣的幾何特征。
基于這個史瓦西解，史瓦西又發(fā)現(xiàn)了一件意義重大的事情。如果一個質(zhì)量為M的球形天體，收縮到一個特定的范圍以內(nèi)，光就無法再從它的表面逃逸。
換句話說，如果一個球形天體的半徑小于一個特定的數(shù)值，它就會變成一個連光也跑不出去的太空監(jiān)獄。
這個特定的數(shù)值就是所謂的史瓦西半徑，其大小為R=2GM/c^2。
其中牛頓引力常數(shù)G=6.674×10^{-11} N·kg^{-2}·m^2，而光速c=2.998×10^{8}·m/s。
如果把太陽的質(zhì)量（即1.989×10^{30}kg）帶入此公式，可以算出太陽的史瓦西半徑約為2954米；如果把地球的質(zhì)量（即5.972×10^{24}kg）帶入此公式，可以算出地球的史瓦西半徑約為8.869毫米。
也就是說，如果太陽的半徑縮小到2954米，或者地球的半徑縮小到8.869毫米，就會變成連光都能囚禁的恐怖監(jiān)獄。
史瓦西的發(fā)現(xiàn)讓沉寂了100多年的暗星理論得以復活。一個天體要是坍縮到史瓦西半徑以內(nèi)，就會變成一顆永遠也看不到的暗星。
但是愛因斯坦和愛丁頓堅決反對這樣的可能性。
他們認為，史瓦西解只是一場純粹的數(shù)學游戲；在真實的物理世界中，根本不存在半徑小于史瓦西半徑的天體。
按照愛丁頓的說法，一定存在某種機制，阻止天體塌縮到史瓦西半徑以內(nèi)。
由于愛因斯坦和愛丁頓的巨大威望，很長一段時間，這種看法都是天文學界的主流。
黑洞名字的由來
前面我們有說到，米歇爾和拉普拉斯管這種太空監(jiān)獄叫“暗星”。
到了20世紀中葉，天文學界則稱它為“引力完全塌縮天體”。
但許多人認為，這兩個名字都不夠理想：前者不夠清晰，而后者又過于拗口。
在1967年底的一次學術(shù)會議上，來自是美國著名物理學家約翰·惠勒首次把這種連光都逃不出去的太空監(jiān)獄稱為“黑洞”。
約翰·惠勒
這個名字，很快就以它的簡潔和神秘，得到了世界各國天文學家的認可。
但法國天文界卻死活也不同意，因為他們覺得黑洞這個名字過于色情。
有了名字以后，黑洞的研究變得越來越熱門，最終成為了天文學最大的熱點之一。
人們利用理論物理的工具，對黑洞進行了大量的研究，而這些研究后來又極大地促進了理論物理的發(fā)展，于是才有了今天發(fā)布的人類史上第一張黑洞照片。
參考資料：https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404309188024392029#_0
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