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manbet手机版黑洞和银河系最黑暗的秘密(pdf)

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manbet手机版Om svarta hål och Vintergatans mörkaste hemlighet (pdf)

manbet手机版黑洞和银河系最黑暗的秘密

manbet手机版三位诺贝尔物理学奖得主共同分享了今年的诺贝尔物理学奖，因为他们发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞。manbet手机版罗杰·彭罗斯manbet手机版证明了黑洞是广义相对论的直接结果。manbet手机版Reinhard甘泽尔manbet手机版而且manbet手机版安德里亚Ghezmanbet手机版发现在银河系的中心，有一个看不见且极其沉重的物体控制着恒星的轨道。manbet手机版超大质量黑洞是目前已知的唯一解释。

manbet手机版罗杰·彭罗斯manbet手机版发明了巧妙的数学方法进行探索manbet手机版阿尔伯特·爱因斯坦manbet手机版他的广义相对论。manbet手机版他指出，该理论导致了黑洞的形成，黑洞是时空中的怪物，能捕获进入其中的一切。manbet手机版任何东西，包括光，都无法逃脱。

manbet手机版Reinhard甘泽尔manbet手机版而且manbet手机版安德里亚Ghezmanbet手机版每个人都领导了一组天文学家，从20世纪90年代初开始，他们就一直专注于银河系中心的一个区域。manbet手机版随着精确度的提高，他们已经绘制出了最明亮的恒星的轨道，这些恒星离中心最近。manbet手机版两个小组都发现了一些既看不见又很重的东西，迫使这一团恒星旋转。manbet手机版这个看不见的质量大约有四百万太阳质量，挤在一个不比太阳系大的区域里。manbet手机版是什么让银河系中心的恒星以如此惊人的速度旋转?manbet手机版根据目前的引力理论，只有一个候选者——超大质量黑洞。

manbet手机版超越爱因斯坦的突破

manbet手机版甚至连广义相对论之父阿尔伯特·爱因斯坦都不认为黑洞可能真的存在。manbet手机版然而，在爱因斯坦去世十年后，英国理论家罗杰·彭罗斯证明了黑洞是可以形成的，并描述了黑洞的性质。manbet手机版在黑洞的中心，隐藏着一个奇点，在这个边界处，所有已知的自然法则都崩溃了。

manbet手机版为了证明黑洞的形成是一个稳定的过程，彭罗斯需要扩展用于研究相对论的方法——用新的数学概念来解决该理论的问题。manbet手机版彭罗斯的开创性文章发表于1965年1月，至今仍被视为自爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献。

manbet手机版引力控制着宇宙

manbet手机版黑洞可能是广义相对论中最奇怪的结果。manbet手机版当阿尔伯特·爱因斯坦在1915年11月提出他的理论时，它颠覆了之前所有的时空概念。manbet手机版该理论为理解引力提供了全新的基础，引力在最大程度上塑造了宇宙。manbet手机版从那时起，这一理论为所有宇宙研究提供了基础，也在我们最常用的导航工具之一——全球定位系统(GPS)中发挥了实际作用。

manbet手机版爱因斯坦的理论描述了宇宙中的一切人和事是如何被引力控制的。manbet手机版引力把我们绑在地球上，它控制着行星围绕太阳的轨道以及太阳围绕银河系中心的轨道。manbet手机版它导致恒星从星际云中诞生，并最终在引力坍缩中死亡。manbet手机版引力给空间带来形状，影响时间的流逝。manbet手机版重质量弯曲空间，减慢时间;manbet手机版一个极重的质量甚至可以切断并封装一块空间——形成黑洞。

manbet手机版我们现在所说的黑洞的第一个理论描述是在广义相对论发表几周后出现的。manbet手机版尽管该理论的数学方程极其复杂，但德国天体物理学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)能够为爱因斯坦提供一个解决方案，描述重质量如何弯曲空间和时间。

manbet手机版后来的研究表明，一旦黑洞形成，它就会被视界包围，视界像面纱一样扫过黑洞中心的质量。manbet手机版黑洞永远隐藏在它的视界内。manbet手机版质量越大，黑洞和它的视界就越大。manbet手机版对于质量相当于太阳的物体，其事件视界的直径几乎是3公里，而对于像地球这样质量的物体，其直径仅为9毫米。

manbet手机版超越完美的解决方案

manbet手机版“黑洞”的概念在许多文化表达形式中都有了新的含义，但对物理学家来说，黑洞是巨大恒星演化的自然终点。manbet手机版20世纪30年代末，物理学家罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)首次对大质量恒星的戏剧性坍落进行了计算。奥本海默后来领导了制造第一颗原子弹的曼哈顿计划(Manhattan Project)。manbet手机版当比太阳重许多倍的巨星耗尽燃料时，它们首先以超新星的形式爆炸，然后坍缩成极其密集的残余物，其重量如此之大，以至于地心引力把所有东西都拉了进去，甚至连光也不剩。

manbet手机版早在18世纪末，英国哲学家、数学家约翰·米歇尔和著名的法国科学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯的著作中就提出了“暗星”的概念。manbet手机版两人都认为，天体的密度可能会变得非常大，以至于看不见它们——甚至连光速都不能快到足以摆脱它们的引力。

manbet手机版一个多世纪后，阿尔伯特·爱因斯坦发表了他的广义相对论，该理论中那些出了名的困难方程的一些解描述的就是这样的暗恒星。manbet手机版直到20世纪60年代，这些解都被认为是纯粹的理论推测，描述的是恒星和它们的黑洞完美圆形和对称的理想情况。manbet手机版但宇宙中没有任何东西是完美的，罗杰·彭罗斯是第一个成功地找到所有坍缩物质的现实解决方案的人，这些坍缩物质具有力、凹痕和自然缺陷。

manbet手机版类星体的奥秘

manbet手机版1963年，随着类星体(宇宙中最亮的物体)的发现，黑洞是否存在的问题重新浮出水面。manbet手机版近十年来，天文学家一直被来自神秘来源的射电射线所困扰，比如处女座的3C273。manbet手机版可见光中的辐射最终揭示了它的真实位置——3C273是如此遥远，以至于射线向地球传播了超过10亿年。

manbet手机版如果光源离我们这么远，那么它的强度一定相当于几百个星系的光。manbet手机版它被命名为“类星体”。manbet手机版天文学家很快就发现了一些类星体，它们距离我们如此之远，以至于在宇宙形成初期就已经发出了辐射。manbet手机版这种不可思议的辐射从何而来?manbet手机版要在类星体有限的体积内获得如此多的能量，只有一种方法——从坠入大质量黑洞的物质中获取。

manbet手机版困住的表面解开了这个谜题

manbet手机版黑洞是否能在现实条件下形成一直是困扰罗杰·彭罗斯的问题。manbet手机版据他后来回忆，答案出现在1964年秋天与一位同事在伦敦散步时。彭罗斯当时是伦敦伯克贝克学院的数学教授。manbet手机版当他们停下来过一条小街时，一个想法闪过了他的脑海。manbet手机版那天下午晚些时候，他在记忆中寻找它。manbet手机版这个被他称为“圈闭曲面”的概念，是他一直在不知不觉中寻找的关键，是描述黑洞所需的关键数学工具。

manbet手机版捕获曲面迫使所有光线都指向一个中心，无论曲面是向外弯曲还是向内弯曲。manbet手机版彭罗斯利用被困表面证明了黑洞总是隐藏着一个奇点，一个时间和空间的边界。manbet手机版它的密度是无限的，到目前为止，还没有理论可以解释这一物理学中最奇怪的现象。

manbet手机版困曲面成为完成彭罗斯对奇点定理证明的中心概念。manbet手机版他所介绍的拓扑方法在研究我们弯曲的宇宙中是无价的。

manbet手机版一条通往时间尽头的单行道

manbet手机版一旦物质开始坍缩，被困表面形成，就没有什么能阻止坍缩继续下去了。manbet手机版正如物理学家和诺贝尔奖得主所讲的那样，没有回头路manbet手机版Subrahmanyan钱德拉塞卡manbet手机版他在印度度过了童年。manbet手机版这个故事是关于蜻蜓和它们的幼虫的，它们生活在水下。manbet手机版当一只幼虫准备展开翅膀时，它承诺会告诉它的朋友水面另一边的生活是什么样子的。manbet手机版但一旦幼虫穿过水面，像蜻蜓一样飞走，就再也回不来了。manbet手机版水里的幼虫永远听不到另一边生命的故事。

manbet手机版同样，所有的物质只能从一个方向穿过黑洞的视界。manbet手机版时间取代了空间，所有可能的路径都指向内部，时间的流动将所有东西带到一个不可避免的奇点(图2)。如果你掉进超大质量黑洞的视界，你将什么都感觉不到。manbet手机版从外面看，没有人能看到你掉进去，你通往地平线的旅程永远在继续。manbet手机版根据物理定律，凝视黑洞是不可能的;manbet手机版黑洞将所有的秘密隐藏在它们的视界后面。

manbet手机版黑洞控制着恒星的运行路径

manbet手机版尽管我们看不见黑洞，但通过观察其巨大的引力如何引导周围恒星的运动，我们有可能确定它的性质。

manbet手机版莱因哈德·根泽尔和安德烈·盖兹分别领导着各自的研究小组，探索银河系的中心。manbet手机版它的形状像一个扁平的圆盘，直径约10万光年，由气体、尘埃和几千亿颗恒星组成;manbet手机版其中一颗恒星就是我们的太阳(图3)。从我们在地球上的有利位置看，巨大的星际气体和尘埃云掩盖了来自星系中心的大部分可见光。manbet手机版红外望远镜和射电技术使天文学家能够透过星系盘看到星系中心的恒星。

manbet手机版根泽尔和盖兹利用恒星的轨道作为向导，提出了迄今为止最令人信服的证据，证明那里隐藏着一个看不见的超大质量物体。manbet手机版黑洞是唯一可能的解释。

manbet手机版关注中心

manbet手机版50多年来，物理学家一直怀疑在银河系的中心可能有一个黑洞。manbet手机版自从20世纪60年代早期类星体被发现以来，物理学家推断，在包括银河系在内的大多数大型星系中都可能发现超大质量黑洞。manbet手机版然而，目前没有人能解释这些星系及其黑洞是如何形成的，它们的质量在几百万到几十亿个太阳之间。

manbet手机版一百年前，美国天文学家哈洛·沙普利第一个在人马座方向上确定了银河系的中心。manbet手机版经过后来的观察，天文学家在那里发现了一个强大的无线电波源，它被命名为人马座a *。manbet手机版到了20世纪60年代末，人们发现人马座A*位于银河系的中心，星系中的所有恒星都围绕着它运行。

manbet手机版直到20世纪90年代，更大的望远镜和更好的设备才允许对人马座A*进行更系统的研究。manbet手机版莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹各自启动了一个项目，试图透过尘埃云看到银河系的中心。manbet手机版他们和他们的研究小组一起，开发和改进了他们的技术，建造了独特的仪器，并致力于长期的研究。

manbet手机版只有世界上最大的望远镜才能满足观测遥远恒星的需要——越大越好，这在天文学上是绝对正确的。manbet手机版德国天文学家莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和他的团队最初使用的是NTT，即智利拉新罗山上的新技术望远镜。manbet手机版他们最终将观测成果转移到了帕拉纳尔山上(同样在智利)的超大望远镜(VLT)。manbet手机版VLT拥有4个两倍于NTT大小的巨型望远镜，拥有世界上最大的单片镜，每个镜的直径都超过8米。

manbet手机版在美国，安德里亚·盖兹和她的研究团队使用位于夏威夷莫纳克亚山上的凯克天文台。manbet手机版它的镜子直径近10米，是目前世界上最大的镜子之一。manbet手机版每面镜子都像一个蜂巢，由36个六角形部分组成，可以单独控制，以更好地聚焦星光。

manbet手机版星星为我们指明道路

manbet手机版无论望远镜有多大，它们所能分辨的细节总是有限的，因为我们生活在近100公里深的大气海洋的底部。manbet手机版望远镜上方的大气泡比周围环境温度高或低，它们就像透镜一样，在光线到达望远镜镜面的过程中发生折射，使光波失真。manbet手机版这就是为什么星星会闪烁，也就是为什么它们的图像会模糊。

manbet手机版自适应光学的出现对于改进观测是至关重要的。manbet手机版这些望远镜现在配备了一个额外的薄镜子，可以补偿空气的湍流，并纠正扭曲的图像。

manbet手机版近三十年来，莱因哈德·根泽尔和安德烈·盖兹一直在银河系中心遥远的恒星杂丛中追踪他们的恒星。manbet手机版他们继续开发和改进技术，使用更灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学，因此图像分辨率提高了一千多倍。manbet手机版他们现在能够更精确地确定恒星的位置，每晚跟踪它们。

manbet手机版研究人员在众多恒星中追踪了大约30颗最亮的恒星。manbet手机版恒星在距离中心一个光月的半径内移动得最快，在这个半径内，它们像一群蜜蜂一样跳着忙碌的舞蹈。manbet手机版另一方面，在这个区域之外的恒星以更有序的方式沿着它们的椭圆轨道运行(图4)。

manbet手机版一颗叫做S2或S-O2的恒星在不到16年的时间里就完成了星系中心的公转。manbet手机版这是一个非常短的时间，所以天文学家能够绘制出它的整个轨道。manbet手机版我们可以将这一点与太阳相比较，太阳绕银河系中心一周需要2亿多年的时间;manbet手机版当我们开始这一圈的时候，恐龙已经在地球上行走了。

manbet手机版理论和观察是相互联系的

manbet手机版两个团队的测量结果非常一致，得出的结论是，银河系中心的黑洞应该相当于大约400万个太阳质量，挤在一个太阳系大小的区域里。

manbet手机版我们可能很快就能直接看到射手座a *。manbet手机版这是清单上的下一个，因为就在一年多以前，事件视界望远镜的天文网络成功地成像了一个超大质量黑洞最近的环境。manbet手机版在距离我们最远的星系梅西耶87 (M87)中，距离我们5500万光年，是一个比黑眼圈还要黑的被火环包围的星系。

manbet手机版M87的黑色核心非常巨大，比人马座A*重一千多倍。manbet手机版导致最近发现的引力波的碰撞黑洞要轻得多。manbet手机版和黑洞一样，引力波只存在于爱因斯坦广义相对论的计算中，直到2015年秋天，美国的LIGO探测器(2017年诺贝尔物理学奖)首次捕捉到它。

manbet手机版我们不知道的

manbet手机版罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)证明了黑洞是广义相对论的直接结果，但在无限强的奇点引力中，这一理论不再适用。manbet手机版理论物理学领域正在进行密集的工作，以创建量子引力的新理论。manbet手机版这必须将物理学的两大支柱——相对论和量子力学结合起来，它们在黑洞的极端内部相遇。

manbet手机版与此同时，观测也越来越接近黑洞。manbet手机版莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹的开创性工作为新一代广义相对论及其最奇异的预测的精确检验开辟了道路。manbet手机版最有可能的是，这些测量也将能够为新的理论见解提供线索。manbet手机版宇宙中还有许多秘密和惊喜等着我们去发现。

manbet手机版进一步的阅读

manbet手机版有关今年奖项的其他信息，包括英文的科学背景，可在瑞典皇家科学院网站www.kva.se和www.dokicam.com上查阅，在那里您可以观看新闻发布会、诺贝尔演讲等的视频片段。manbet手机版有关诺贝尔奖和经济学奖的展览和活动的信息，请访问www.nobelprizemuseum.se狗万世界杯

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manbet手机版英国牛津大学教授

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manbet手机版加州大学教授，
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manbet手机版科学编辑:manbet手机版Ulf Danielsson, Ariel Goobar, David Haviland和Gunnar Ingelman，诺贝尔物理学委员会
manbet手机版文本:manbet手机版乔安娜玫瑰
manbet手机版翻译:manbet手机版克莱尔巴恩斯
manbet手机版插图:manbet手机版©Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院
manbet手机版编辑器:manbet手机版莎拉Gustavsson
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