宇宙的根源是否是一組數字?有所謂的原初數字嗎?宇宙中的萬事萬物是否取決於某組數字,而這些數字能解釋一切?許多重大的科學發現都源自數學——諸如愛因斯坦的廣義相對論、黑洞、平行宇宙、弦理論和複雜性理論等等,而這些不過是眾多例子中的一小部分。上述所有發現不僅可以用方程式表示,也都描繪了物理世界的具體面相。
宇宙的根源是否是一組數字?正如道格拉斯.亞當斯在《銀河便車指南》書中所說的,那是不是「生命、宇宙和萬事萬物的答案」?物理學家、心理學家和神秘主義者都思考過這個問題。有些人認為是數字3——諸如三位一體和長度、寬度與深度三個維度。有些人則認定是數字4——畢竟,我們有四季、四個方向(東西南北)和四肢。還有些人確信答案是非常奇怪的數字137,因為它一方面非常精確地描述了光的DNA,另一方面又是「卡巴拉」(Kabbalah)這個字的希伯來字母數總和。這是20世紀許多偉大心靈都在思索的問題,其中也包括了物理學家沃夫岡.包立和心理分析師卡爾.榮格。《數字與夢》這本書是兩位特立獨行者的故事——包立是涉足神秘學的科學家,而心理學家榮格則確信科學能回答某些折磨他的問題。兩者都對自身領域做出巨大而長期的貢獻,而透過彼此間的大量對話,他們走得更遠,探索了兩個領域之間的中土,並且互相衝撞出火花。
同時也有4部Youtube影片,追蹤數超過44萬的網紅閱部客,也在其Youtube影片中提到,或許黑洞現在可能還找不到任何用處, 但說如果未來人類開始製造宇宙船艦, 太陽能恐怕不夠,而這時候恐怕就要利用黑洞。 黑洞是很有效率的發電機, 只要丟一兩顆石頭進去, 就可以產生大量的能源, 不必再燒石油、用太陽能。 這確確實實是在人類求知的旅途中, 是一個值得紀念的里程碑! #宇宙 #天文學 ...
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廣義相對論黑洞 在 小若生活漫旅 Facebook 的最佳貼文
黑洞是什麼?
這篇說明昨日公佈的黑洞照片雖不能算真正黑洞照片,卻是人類首次直接見証的第一步。
高科技進步,讓我們得以一窺黑洞神秘面紗,而就算不懂科學的人,這篇說明簡單易懂,好像帶我們在黑洞外圍走一圈,宇宙真的好神奇!黑洞更神秘。
#黑洞
#宇宙視野旅行
【新文章】人類首次拍得黑洞照片 再證愛因斯坦廣義相對論
黑洞帶給人類永恆的神秘感,它是時空的盡頭、連光也擺脫不了的「洞」。即使是理論物理學家,也難以用筆墨形容黑洞的模樣。要派太空人到黑洞附近去看看也不太可能,儘管航行者1號、2號花了近40年,才剛在不久前越過太陽系邊界,但黑洞都在太陽系以外非常遙遠的地方。
2017年,來自世界各地超過60個科研單位的天文學家聯結起位於地球各大洲的眾多個無線電望遠鏡,持續地觀察M87星系。這個名為事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,簡稱EHT)的無線電望遠鏡網絡,終於直接拍攝到了人類史上首張黑洞「照片」,並於2019年4月10日全球同步發表。
黑洞是什麼?
黑洞是愛因斯坦於1915年發表的廣義相對論的方程式的一個數學解。愛因斯坦發現,在我們身處的宇宙中的任意點上,加速度與重力並不能被區分開來,是為「等效原理」。利用等效原理,加上光速不變假設,愛因斯坦推導出一組十式的方程組。廣義相對論取代了牛頓重力定律(或者可說是牛頓重力定律的更新版本),只要知道時空某處存在多少質量,就能夠利用那十條方程式描述時空的演化。
重力的特性是它只會互相吸引,不像電磁力那樣既能相吸亦能相斥。因此,質量越多,重力就越強;重力越強,就更輕易吸引更多物質。物質如果要擺脫更強的重力,就得付出更多能量。例如,在一顆小行星上,輕輕一跳可能就已足夠擺脫其重力;在地球上,卻必須利用火箭加速至最少每秒11.2公里,才能飛進宇宙空間。
早在愛因斯坦以前,物理學家就曾經想像過一顆質量非常高的恆星,其重力強大到必須跑得比光更快才能逃逸。牛頓重力理論中沒有質量的東西不會被重力影響,而光線究竟有沒有質量在當年也是未解之謎,他們想像「如果」光線也會被重力「拉」回恆星表面的情況,就把這種想像中的恆星稱為「暗星」。
廣義相對論中的重力卻能影響一切事物。所有物質,哪管有沒有質量,全都會被重力吸引。天體物理學家發現,當一顆質量巨大的恆星耗盡核反應燃料時,抵抗自身重力的壓力就會在一瞬間消失,恆星會向內坍縮、反彈,引發超新星爆發。超新星爆發後剩下來的核心質量如果足夠高,就會變成一個逃逸速度比光速更高的區域。我們叫它做黑洞。
黑洞不會發光,而且大多數黑洞體積又不大、離地球又遠(幸好)。因此,望遠鏡必須造得夠大,才能收集更多光線和提高解析度。以人類的科技,要探測上述由恆星死亡超新星爆炸所創造出來的細小黑洞(尺寸大多比地球上的城市更小),仍然遙不可及。不過,宇宙間有些黑洞尺寸卻巨大得難以置信。天文學家發現,在每個星系的中心,都存在一個極其巨型的黑洞,質量達到幾百萬個太陽,稱為超大質量黑洞。天文學家認為這些星系中心的黑洞由遠古細小黑洞互相結合而成的,它們同時也影響著星系的演化過程。
星系M87(Messier 87)的中心也有一個超大質量黑洞。它距離太陽系約5千5百萬光年,半徑約為37光時。M87的質量是太陽的65億倍,從地球上觀察,它的事件視界(event horizon)只有大約16微角秒。從地球看,這等於月球上太空人的拳頭大小。事實上,今次EHT的天文學家拍攝的並非M87的事件視界,而是在事件視界外面約40微角秒大小的吸積盤(accretion disk),叫做「黑洞的影子(black hole shadow)」,實際尺寸大概為冥王星軌道的2.7倍。
事件視界望遠鏡(EHT)是什麼?
根據簡單光學定律,望遠鏡越巨大、觀測使用的波長越短,解析度也越高。人類所造的地面望遠鏡之中,無線電望遠鏡建造相對容易,因此普遍來說都較可見光望遠鏡巨大。另一方面,無線電受大氣擾動干擾的影響亦較可見光為低。EHT使用的無線電波段為1.3毫米,經過計算,我們需要的望遠鏡尺寸是⋯⋯地球直徑(即大概13,000公里)!
然而,即使是地球上最巨型的無線電望遠鏡,例如美國的阿雷西博望遠鏡(Arecibo Telescope,直徑305米)、中國的500米口徑球面無線電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,簡稱FAST,直徑500米),以及俄羅斯的科學院無線電望遠鏡-600(Academy of Science Radio Telescope – 600,簡稱RATAN-600,直徑600米)等等,也遠遠不夠大。怎麼辦呢?總不能把整個地球改建成一支望遠鏡吧?幸好,物理學家早就發展出一種技術,叫做甚長基線干涉測量法(Very-long-baseline Interferometry,簡稱VLBI)。VLBI技術利用光線的波動特性,把不同地點的光線訊號互相重疊,從而構成更光亮、解析度更高的影像。
世界各地都有很多無線電望遠鏡,因此天文學家組成了一個VLBI望遠鏡網絡,用來加強所拍攝的影像的光度和解析度。EHT就是這個VLBI網絡的一部分,專門拍攝M87。過去兩年間,EHT收集到了足夠的光線,利用干涉分析建構出一幅解析度達20微角秒、足以分辨出M87的黑洞影子的照片。2019年4月10號,我們終於能夠一窺黑洞的廬山真面目!
不發光的黑洞為什麼可以看得到?
咦,不是說過連光也不能離開黑洞嗎?為什麼還會有來自黑洞的訊號?
黑洞本身不會發光(理論上黑洞會放出所謂的霍金輻射(Hawking radiation),但這超出本文討論範疇,我在以往文章中已經討論過)。然而,正被黑洞吸入的星際物質、甚至是被黑洞強大重力扯得支離破碎的恆星碎片,會一邊加速至極高速度、一邊落入黑洞之中。這些物質構成一個溫度極高的吸積盤,會在落入黑洞之前釋放出大量輻射。EHT觀察的就是這些剛好在黑洞邊界發射出來的光。
順帶一提,黑洞邊界是時空中的資訊能夠傳播的最後界線,跨越了黑洞這道邊境的任何資訊都不可能被黑洞外面的宇宙所探知。因此,黑洞邊界又稱為事件視界,象徵宇宙中一切事件的盡頭。EHT的名稱也就很明顯了:事實上它拍攝的並非黑洞「本身」,而是事件視界外的黑洞影子。
愛因斯坦的預言
既然這是人類史上首張黑洞照片,為什麼我們會知道M87中心有個黑洞?
我們觀察到來自M87的X射線高能量噴流(jet)。天體物理學模型指出,當吸積盤的物質落入黑洞時,會有一部分物質被高速從黑洞兩極拋走,形成噴流。噴流中的物質溫度極高,加上其速度非常接近光速,因而放出X射線。這些來自M87的X射線能量間接指出其中心必定存在一個能提供物質如此強大能量的能源。根據人類已知物理學,黑洞是唯一解釋。
科學與其他學問的一個分別是,我們能夠利用科學定律來作出極其準確的量化(quantitative)預言。愛因斯坦廣義相對論的預言已經被實驗和觀測所一一證實,包括位於較強重力場中的時間流逝速率相對較慢(全球定位系統人造衛星必須使用廣義相對論作岀修正,所以我們的手提電話已是明證)、空間會被重力場扭曲(人造衛星已經測得地球附近空間扭曲程度與相對論預言一致)、2015年直接探測到去兩個黑洞碰撞結合所釋放出的重力波(重力波觀測亦為黑洞存在的證據)。
EHT這張照片只是人類直接觀察黑洞的第一步。雖然這照片與想像中的電影劇照有頗大出入,卻是愛因斯坦相對論的另一個明證。誰知道未來人類科技會進步到何等程度,帶我們看到什麼?
廣義相對論黑洞 在 余海峯 David . 物理喵 phycat Facebook 的最讚貼文
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2017年,來自世界各地超過60個科研單位的天文學家聯結起位於地球各大洲的眾多個無線電望遠鏡,持續地觀察M87星系。這個名為事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,簡稱EHT)的無線電望遠鏡網絡,終於直接拍攝到了人類史上首張黑洞「照片」,並於2019年4月10日全球同步發表。
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廣義相對論黑洞 在 閱部客 Youtube 的最佳貼文
或許黑洞現在可能還找不到任何用處,
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廣義相對論黑洞 在 老王頻道 Youtube 的最佳解答
自從愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞的存在,科學家就開始了尋找黑洞之旅。直到霍金的出現,人們關於黑洞的研究才有了巨大的飛躍,霍金提出的奇點理論和霍金輻射都是解釋黑洞的基礎理論。宇宙中有無數的黑洞,不止質量不一樣,連大小也不一樣,而宇宙中最大的黑洞被稱為超級黑洞,它的直徑與地球相當,質量卻至少是太陽的數十億倍, 如果你掉進黑洞會發生什麼?如果你掉進了一個黑洞,你可能以為自己馬上就會死掉嗎?事實上你的命運遠不止這麼簡單。我們總會在某個時候遇到這個古老的問題:一個人掉進黑洞後會發生什麼呢?你可能覺得這個人會被壓扁,或者被撕成碎片。但真相遠比你想像的更神奇
1:15 黑洞是個飢餓的野獸
2:57 奇異點
4:03 帶電洞
5:35 白洞
6:22 傳送器蟲洞
7:10 真實的樣子
8:01 M87星系的黑洞
老王頻道推薦的影片:
這些事物你應該從未見過!
https://www.youtube.com/watch?v=B3Vsw4bP5tc&t=3s
世界上最年輕的著名黑客
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現實中真正存在的電影怪物
https://www.youtube.com/watch?v=_jqcLMVlfls&t=521s
廣義相對論黑洞 在 賢賢的奇異世界 Youtube 的最佳解答
#時間 #黑洞 #平行世界
各位大家好,歡迎來到HenHenTV的奇異世界,我是Tommy。
最近重看了一次星際穿越Interstellar,以前看的時候真的很不明白,但是這次再看回就比較明白一些,開始對於裡面的理論感到好奇,究竟他們是以什麼理論來拍攝這個電影呢?
這個電影裡面講到的有幾個我們都好奇的東西,時間,引力,平行世界還有黑洞,而這些理論很巧妙的把它們聯繫在一起,我們今天就來說這幾個東西吧!
先說時間,我們好像明白時間但卻又好像從來沒有認識過什麼是時間,我們在有文明以前就以太陽出現的時間為一個標準,或是以星星月亮等等的運行為一個計算單位。其實時間最主要就是三個因素,過去,現在還有未來,而且從來沒有人可以證明時間是在‘流動’的,那在物理裡面,他們對於時間的觀點是怎樣的呢?
如果是這樣,那麼我們就要在愛因斯坦的狹義相對論開始說起,狹義相對論裡面和牛頓力學不同,他加多一個維度,就是時間軸,裡面只有兩個基本的原理
光速是恆定的
大家知道光速是C=30 x 108 m/s,這個原理就是,無論是這樣的情況之下(除了引力之外,我們會在下個理論講到)真空或是經過空氣之中,光速都是恆定的,都是一秒30萬公里。
狹義相對論
這裡的另外一個原理就是移動的物體,和靜止的物體,它們相對的時間會不一樣,打個比方,如果以光速的來回為計算方式,那麼彈回來原點就是一個時間單位,但是移動的東西所彈回來的時間會稍微長了一點,所以這裡就是產生另一個情況,就是時間膨脹。
如果用一個靜態的人的時鐘去測量一個低於光速移動的人,如果這個移動的人也有帶著時鐘,那麼他的時鐘一定會比靜止的人慢,但是對於他來說,在他的移動空間裡面還是一樣的,物理上沒有任何改變。
我來舉一個簡單的例子:
如果我在地球上拿着同一款非常精準的原子鐘,而我朋友則是搭上太空船遠離地球,他在太空船空間裡面的時間是兩年,裡面的食物還是兩年,人也只是老了兩歲。
但是在地球上的我,卻是過來四年,那麼當他回來後,是否是好像穿越了兩年後的未來呢?
那如果我也是像我朋友一樣,搭上太空船與他相反的方向離開地球,我們的時間過得會一樣快。
那麼有人就有提出一個叫雙胞胎悖論,如果一對雙胞胎,弟弟留在地上,哥哥做太空船低於光速離開地球後再回到地球上,那麼哥哥可能就是比弟弟年輕了,是這樣的嗎?
但是事實上狹義相對論只適合用於直線均衡速度的運動,因為哥哥的太空船中途加速,U-turn或減速然後回到地球上,所以並不是適合用這個理論來解釋,
所以就要和另外一個理論來解釋會比較完善,那就是廣義相對論,
廣義相對論裡面講的也是兩個非常簡單的理論。
引力是和加速值是同等的。
打個比方,如果我們坐進電梯裡面,如果電梯上靜止不動,地球的引力會落在我們身上,那麼我們會靜止不動,是因為在我們身上會有向上的支持力,所以我們才會在原地不動(牛頓引力)
當電梯上以N的速度往上升時,那麼加速上升會造成支持力變大,但是其實你是分不清究竟是引力變大還是因為加速上升造成支持力變大,愛因斯坦就把這兩者歸為等效。
這就是等效原理。
到這裡大家明白我講什麼嗎?
光線彎曲
就好像我們之前所講的狹義相對論裡面講的,如果是移動的太空船,對於靜止的人,他的光束落在的地方不同,這裡在廣義相對論裡面加進了引力,好像剛才的理論所說的,如果加速值和引力是等效的,那麼意思是如果在引力非常大的地方,它的時間會比普通引力的地方會過得非常的慢。
我們來看廣義相對論的方程式如何解釋引力導致時間變慢的理論,打個比方,M = 質量無限大的物體, 如果有兩顆不同的星球在離這個無限大質量的物體不同的距離,T1是遠一點的星球上的時間,而T2則是進一點的星球。
GM就是代表這個質量無限大物體的引力數值,而R就是離比較靠近星球的距離,C =光速。
它的方程式如下:
T2 = T1 √(1-2GM/c²r)
大家先不要覺得燒腦,你只需要以最簡單的數學來想這件事情就可以了。
2GM/C²r 必須大於一,如果√ 下面是負數,那麼是除不到的。
如果r需要大於1,那麼r就是距離必須要大過光速除於2GM(就是M的引力數值),那麼得出來的結果就是T2是小於T1,那麼意思是什麼呢?如果距離約靠近M,那麼它的時間就會相對的變慢。
如果剛好R = 2GM/C²r,那麼就是說結果會是√0,也就是T2 =0,那麼就是說在這個距離,對於其他人來說,這個星球上的人的時間是靜止的。
很神奇吧!
這裡就可以解釋道在星際效應裡面,為什麼他們去到接近黑洞的星球,回到太空船上面已經過了35年,以這個理論來說,如果人類接近在黑洞的引力邊緣,也就是再前一些就會掉進黑洞裡面永遠出不來了,對於其他人來說,你的時間是靜止的。那麼是否你在那裡就不會衰老了嗎?
以廣義相對論的方程式還有一個未解之謎,那就是如果在超過了黑洞的引力邊緣,那麼時間就會變成虛數,如果時間是虛數的話,那麼究竟在裡面會發生什麼事情呢?這個在電影裡面有假設,他掉進一個好像平行世界的空間裡面,而這個平行空間可以穿越過去和過去的自己對話。
回來我們說的時間,我們是以人類衰老的速度來衡量時間,還是我們的細胞對於引力的轉變變成停止衰老呢?還是引力加快了我們身體的新陳代謝?而減慢了我們衰老的速度?
我在上兩個平行世界的影片也有講過,現在我把三個影片關聯在一起,平行世界裡面可能會有另外一個我,如果量子可以同時存在在不同的時空裡,那量子時空的就有可能把兩個世界暫時連接在一起。像我之前在平行世界的影片裡面有假設:如果兩個平行世界的時間是不存在的,並沒有以前或是現在,而是只有快和慢的假設呢?
那麼以今天的這個廣義相對論,就可以解釋會否有比較快或比較慢的平行世界了,只要那個平行世界是越靠近質量無限大的物體時,那麼它的時間可以變慢,甚至靜止了。那麼平行世界的記憶重疊也可以用這集更加的完整解釋了。
如果這個讓你可以去到這個時間靜止的空間裡面,當時間是無限時,你會做什麼呢?那是否你回到地球時,地球早已過了100年呢?時間是單向的,並不可以穿越過去,而過去所發生的事情,就已經過去了。
在星際效應裡面,他進入了黑洞裡面,傳送到一個時間為虛數的五維空間,可以看到他以前的還沒去外太空之前的情景,還用引力和摩斯密碼來傳送黑洞裡面的量子質料和,和引導過去的他去到太空研究站等等。
到現在我終於比較明白這個電影了。
就算時間可以靜止,對於不會利用時間的人來說,還是一樣的。其實時間還是一樣在流動,只是兩個的物理上覺得不一樣而已。相同的,如果一個人很會利用時間來做有意義的事情,那麼它的時間才有價值。
時間可以忘記傷痛,可以改變一個人,也可以讓一個人成長,以前小的時候,就希望快快長大,當長大過後,就希望時間變慢一些,一年一年的過去,看到撫養我們長大的父母開始老了,你多麼希望可以把它們送到黑洞的邊緣,那麼我們就可以和父母一同老去,但是卻可能30多年不能看到他們。
無論什麼物理方程式都好,沒有什麼是可以敵過時間的,還是那一句,學會珍惜時間,珍惜和家人的時間,還有屬於你的時間。
好啦!今天就是平行世界的完結篇,原本只是想寫黑洞的原理,竟然湊巧的讓平行世界的兩部影片完整了,人生就是這樣,你永遠都不知道下一步會發生什麼事情,大家看完這平行世界的三部曲,有什麼希望我講的主題嗎?歡迎大家留言建議,我會試著做的。我們下個奇異世界見,Bye
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https://technews.tw/2019/07/26/milky-way-supermassive-black-hole-einstein-gravity/
科學家這次又鎖定了哪個目標來考驗愛因斯坦的廣義相對論呢?答案是我們銀河系的超
大質量黑洞。透過觀察 S2 恆星在黑洞周圍的種種行為長達 24 年,加州大學洛杉磯分
校團隊再次驗證了等效原理,儘管至今不少人提出對廣義相對論的質疑,事實告訴我們
這項理論依然堅如磐石。
若問地球方圓 100 萬光年內最極端的天體是誰,當屬銀河系中心的超大質量黑洞人馬座
A*,質量達太陽 400 萬倍,是測試愛因斯坦廣義相對論的最佳對象之一。
由加州大學洛杉磯分校天文學家 Andrea Ghez 領導的團隊,自 1995 年起就開始利用凱
克望遠鏡觀察名為「S2」的恆星與人馬座 A* 的互動,此恆星週期約 16 年,軌道離心
率極高;時光荏苒,一轉眼來到 2018 年,S2 恆星出現在最靠近黑洞的位置(離黑洞事
件視界約只有 180 億公里,或說海王星公轉軌道直徑的 2 倍長)。
廣義相對論預測此時恆星光會受黑洞引力影響,觀測時出現「重力紅移」(Gravitatio
nal redshift)現象,當年,馬克斯‧普朗克外空物理學研究所天體物理學家 Reinhar
d Genzel 團隊證實了這項預測,並發現 S2 恆星的速度被黑洞引力提高達到光速 2.7%
(約時速 2,500 萬公里)。
而 Andrea Ghez 團隊長達 24 年的研究最近發表,則以獨立數據再度佐證 S2 恆星的光
被黑洞引力拉伸,重力紅移結果與愛因斯坦廣義相對論的預測一致,而與牛頓的預測結
果有 5 個標準差,簡單說,在大範圍下完全可以排除牛頓的萬有引力定律。
S2 恆星在去年 3 月達到最大視距速度(line-of-sight velocity),同年 9 月視距速
度又降至最低,Andrea Ghez 團隊將這段期間的光譜數據與 1995~2017 年的觀測結果相
結合,以 3D 方式重建恆星軌道,再次驗證廣義相對論的等效原理。
此外,新研究也算出人馬座 A * 更精準的的質量與距離:3,946,000 倍太陽質量,不確
定性 1.3%;和地球的距離為 7,946 秒差距(25,900 光年),不確定性僅 0.7%。
面對宇宙最深不可測的天體,愛因斯坦又一次奪得勝利,廣義相對論至今還沒有讓我們
走向歧途。新論文發表在《科學》期刊。
https://science.sciencemag.org/content/early/2019/07/24/science.aav8137
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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 42.72.91.139 (臺灣)
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Physics/M.1564134067.A.E62.html
※ 編輯: bulls0722 (123.192.157.138 臺灣), 07/28/2019 21:11:14
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