不可不知的黑洞大事記

不可不知的黑洞大事記

1687年

艾薩克·牛頓爵士在《自然哲學的數學原理》中發表了革命性的萬有引力定律。

1758年

埃德蒙·哈雷預測的於1758年會再次出現的彗星如期而至,這是萬有引力定律的一大勝利。

1783年

英國科學家約翰·米歇爾提出了牛頓版的黑洞存在說。根據他的計算,當恆星的質量大到一定程度時,其巨大的引力使得光也無法從中逃逸,因而,它是不可見的。

1796年

法國數學家皮埃爾·西蒙·德·拉普拉斯也獨立得出了

與米歇爾類似的推論。他認為天空中有暗星或隱星存在。

1862年

英國馬薩諸塞州的阿爾文·格雷厄姆·克拉克發現,夜晚天空中最亮的恆星天狼星有一顆昏暗的伴星。但讓天文學家困惑的是,這顆光度極弱的星體卻有著和太陽相當的質量。

1905年

阿爾伯特·愛因斯坦發表了狹義相對論,摒棄了牛頓絕對空間和絕對時間的觀念。

1907年

數學家赫爾曼·可夫斯基指出,愛因斯坦的狹義相對論已將時間變成了第四維度,把時間和空間合併成了一個單一的絕對實體——時空。

1915年

阿爾伯特·愛因斯坦發表了廣義相對論,成功地把相對論擴展到其他類型的運動,特別是強引力場中的運動。引力現在被看成是質量對彈性時空的影響,物體沿著時空中的凹陷運動。

1916年

德國天文學家卡爾·史瓦西發表了第一個廣義相對論方程的完全解。這個結果導致了史瓦西球體的出現,物質在球體中心被壓縮為一個點。在球體的表面,時間和空間似乎停滯了。這是我們今天稱之為黑洞的物體的一個版本。這個版本的黑洞不帶電荷,也不旋轉。一些人認為它是使用了座標系後才出現的人造物,有些人則堅信恆星永遠不會被壓縮到這樣一種狀態。愛沙尼亞的厄恩斯特·歐皮克和稍後的英國科學家亞瑟·愛丁頓

計算出,天狼星的伴星僅比地球大一點點,儘管其質量達到約一個太陽。這說明了它光度微弱的原因。這樣的恆星後來被稱作“白矮星”。

1916年

前往西非和巴西的英國日全食觀測隊證實,星光在經過太陽附近時,其路徑確實變彎了。根據廣義相對論,這是星光沿著太陽在時空中造成的凹陷運動的結果。廣義相對論取得了勝利。

1926年

英國理論物理學家拉爾夫·福勒運用新建立的量子力學理論,解釋了太陽質量大小的恆星在坍縮到地球大小時,是如何穩定在白矮星狀態的。

1930年

在一次從印度到英國的海上航行中,蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡發現了白矮星的最大質量極限。他不清楚,如能超過這個極限,白矮星將會如何演變。

1931年

蘇聯理論物理學家列夫·朗道計算出,一顆質量足夠大的恆星會坍縮為一個點。但他認為,這樣的結果是“荒謬的”。他猜測,恆星內部會形成“一個巨大的中子核”。

1932年

英國物理學家詹姆斯·查德威克發現了中子。

貝爾電話實驗室的卡爾·詹斯基發現了來自銀河系中心的無線電波。射電天文學由此開啟。

1933年

在美國物理學會的一次會議上,弗裡茨·茲威基和沃爾特·巴德

提出,新星、超新星爆發會將普通恆星變成體積很小的中子星。天文學家認為這一猜想太過離譜。

1935年

在英國皇家天文學會的一次會議上,錢德拉展示了他的研究成果:當白矮星的質量超過極限後,會突然坍縮。對此,亞瑟·愛丁頓發表了他那聲名狼藉的評判。

1939年

羅伯特·奧本海默與喬治·沃爾科夫是最早對中子星的物理屬性展開研究的科學家。他們發現,與白矮星一樣,中子星也有最大質量極限。

奧本海默與哈特蘭·斯奈德發表了第一篇對黑洞進行現代描述的論文。他們稱之為“持續的引力收縮”。之後,奧本海默放棄了這方

面的研究。物理學界對廣義相對論的興趣驟降。

愛因斯坦發表了他一生中“最糟糕的科學論文",試圖證明恆星永遠不會完全坍縮為一個點(或奇點)。

1948年

美國金融家羅傑·巴布森成立了重力研究基金,以喚起人們對引力研究的興趣(以便有一天可以開發出反重力裝置)。他的資助也的確再一次激發了人們對廣義相對論的興趣。

1952-1953 年

普林斯頓大學的物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒,成為該大學物理系教授相對論課程的首位教授。奧本海默和斯奈德此前提出過“恆星會持續坍縮為奇點”,而惠勒希望找到阻止奇點形成的理論依據。

1955年

愛因斯坦在普林斯頓的同事們都把自己當作一個“老傻瓜”的想法中離世,而他最偉大的成就——廣義相對論,在物理學研究中不受重視。

1957年

北卡羅來納大學新成立的引力研究所在教堂山分校召開了一次會議,探討引力在物理學中的地位。該會議現在被視作引力研究重生的“里程碑”。在一次國際會議上,約翰·惠勒和他的兩個學生試圖證明向心聚爆的恆星是如何自救,從而避免坍縮為奇點的,坐在觀眾席中的奧本海默彬彬有禮地表達了相反意見。

1958年

大衛·芬克爾斯坦為廣義相對論發展了一種新的參考系,使人們

更容易理解黑洞的物理特性。它讓物理學家能夠視覺化地想象,坍縮的恆星對遙遠的我們來說看起來像是“凍結星”,但從黑洞的角度來看,仍然在持續地向心聚爆。馬丁·克魯斯卡爾更早得出了類似的結果,但直到1960年才發表出來。

1958-1960 年

在普林斯頓高級研究所的一次學術報告會上,羅伯特·迪克開玩笑似的把完全坍縮恆星比作“加爾各答黑洞”,因為其引力如此之大,任何物質都無法逃逸。物理學家丘鴻毅當時在觀眾席上。

1962年

利用大衛·芬克爾斯坦和馬丁·克魯斯卡爾開發的新的數學工具,普林斯頓大學的本科生大衛·貝克多夫與其導師查爾斯·米舍內爾共

同研究,對黑洞視界外的空間進行了更詳細的描述。這是首次將黑洞視為真實存在的物體進行的描述。

一枚火箭搭載的X射線探測器探測到了第一個宇宙X射線源——天蠍座X-1,這標誌著X射線天文學的誕生。

後來,天蠍座X-1被發現是一個雙星系統中的中子星。

20世紀60年代早期

加州利弗莫爾國家實驗室進行的計算機模擬實驗表明,質量足夠大的恆星在其生命的末期會坍縮為黑洞。蘇聯科學家也得出了類似的結果。

計算機模擬實驗的結果及貝克多夫的研究說服了惠勒,使他完全改變了自己的觀點,轉而支持黑洞學說。蘇聯科學家極少會懷疑黑澗的存在。

1963年

科學家發現,射電星“3C 273”是一個遙遠星系的高光度星核,距地球大約20億光年遠。這樣的天體很快被命名為“類星系”。

羅伊·克爾為旋轉中的恆星的引力場建立了完整的模型,成功破解了這個廣義相對論幾十年未解的老難題。

首屆得州相對論天體物理學研討會在達拉斯市舉行,試圖弄清楚類星體使人震驚的巨大能量的來源。這次會議是把廣義相對論和天體物理學聯繫在一起的第一個引人注目的嘗試。

1964年

“黑洞”這一詞語首見於出版物是於1964年1月18日出版的《物理評論快報》。據該報報道,在美國科學促進會年會的一場關於簡併星的天文學分會上,有人在報告中使用了這個詞。會議的主持人丘鴻

毅確實提到"星際空間裡佈滿了黑洞",他從羅伯特·迪克那裡借用了這個詞。

蘇聯物理學家雅科夫·澤爾多維奇和伊戈爾·諾維科夫認為,超大質量恆星坍縮時,會將附近的塵埃和氣體吸引過來,在周圍集聚為吸積盤,同時釋放出巨大的能量。

康奈爾大學物理學家埃德溫·薩爾皮特也獨自提出過類似的看法。這樣就可以解釋為何類星體長期而持續地擁有的巨大的能量來源。

1965年

英國物理學家羅傑·彭羅斯從理論上證明,引力坍縮會不可避免地導致黑洞內部形成奇點。

1967年

約翰·惠勒在美國科學促進會年會上所作的主題發言中使用了"黑洞”這個詞,來描述引力坍縮體。依據他的發言寫成的論文於1968年發表後,科學界開始把這個詞語作為該物體的正式名稱。

英國天文學家喬絲琳·貝爾發現了脈衝星,之後這顆脈衝星被確認為旋轉的中子星。這一發現使許多人相信,黑洞也可能真實存在。

1969年

羅傑·彭羅斯展示了在黑洞的快速旋轉中可以釋放出多麼巨大能量。

1971年

基於X射線探測衛星烏呼魯獲取的數據,一個非典型射電源——天鵝座X-1,被暫定為黑洞,這是宇宙中發現的第一個黑洞。

1973年

雅各伯·貝肯斯坦發表論文稱、黑洞視界的面積確實是可以直接測量的黑洞熵值。

1974年

史蒂芬·霍金試圖證明貝肯斯坦的結論是錯誤的,但他卻證明了黑洞會發出輻射(“霍金輻射”),並因輻射而隨著時間逐漸蒸發。他的發現是廣義相對論和量子力學的歷史性連接。

基普·索恩和史蒂芬·霍金就天鵝座X-1是否真的是黑洞打了一次賭。索恩賭它是黑洞,而霍金賭它不是。

1977年

羅傑·布蘭德福德和羅曼·茲納耶克發展了他們快速旋轉中的黑洞釋放能量的模型。

1990年

霍金向基普認輸,承認天鵝座X-1是黑洞。

1999年

美國有兩座激光干涉引力波天文臺建成,其中一座位於華盛頓州,另一座位於路易斯安那州。2001年天文臺開始運作,2015年對設備進行了全新升級,採用更先進的探測器。引力波信號會為黑洞的存在提供第一手直接的證據。

2013年

第50屆得州相對論天體物理學研討會在達拉斯舉行,慶祝其成立50週年。

黑洞概念現在已經被人們完全接受了。關於黑洞的話題有黑洞的合併、黑洞的磁化作用、能量的產生以及黑洞誕生時發出的伽馬射線暴等。

2016年

LIGO(激光干涉引力波天文臺)科學合作組織的專家向全世界宣佈,人類首次直接探測到了引力波。這次探測到的引力波是雙黑洞合併時發出的。這項成果成為黑洞存在的無可置疑的明證,同時也證實了恆星級雙黑洞系統的存在。

(本文選自湖南科學技術出版社出版的《黑洞簡史》一書)

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