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7月18日科技咖啡馆之黑洞的奥秘(一)

(2007-07-23 18:00:04)
7月18日科技咖啡馆之黑洞的奥秘(一)
 
 
7月18日科技咖啡馆之黑洞的奥秘(一)

   英国使馆文化教育处邀请英国杜伦大学天文学系主任马丁伍德教授向公

众介绍黑洞的相关知识和前瞻性研究。马丁伍德教授现任英国杜伦大学天文

学系主任,在英国萨塞克斯大学获得天文学博士学位,在剑桥大学和萨赛克

斯大学分别获得文学硕士和天文学硕士学位。他曾在牛津大学、莱切斯特大

学、华盛顿大学和京都大学等多所著名学府任教,并于1989年至1990年在英

国皇家格林威治天文台担任首席副研究员。2000年以来,他曾历任欧洲空间

局天文工作组主席,英国研究委员会科学协会主席,英国皇家天文协会副主

席等职。他在黑洞、河外星系和恒星的形成等领域的研究颇有建树,曾发表

或合作发表论文300余篇。马丁伍德教授致力于激发公众对科学的兴趣。我


还邀请到了北京天文馆馆长朱进向公众介绍天文学知识。朱进教授1991年7

月博士毕业于南京大学天文系,获博士学位。1991年7月至2002年9月在中国

科学院北京天文台(后改为中国科学院国家天文台)工作,任助理研究员、

副研究员、研究员,其中1992年5月至1994年4月为该单位博士后流动站博士

后。2002年9月起调任北京天文馆馆长。目前有关职务及社会兼职:北京天

文馆馆长,研究员;北京校外教育协会会长;北京古观象台台长;《天文爱

好者》杂志主编;中国天文学会常务理事、普及工作委员会主任;中国自然

科学博物馆协会副理事长;北京UFO研究会副理事长;国际天文学联合会小

天体提名委员会委员,第15专业委员会(小行星、彗星和彗星的位置与运动

)、第55专业委员会(天文学与公众的沟通)组委。
 
    主持人:欢迎各位来到我们的英国大使馆文化教育处科技咖啡馆活动,

这次活动的主题大家已经看到了,探索黑洞的奥秘。大家坐在这差不多半个

小时,有一个疑问,小朋友发的黄豆和绿豆做什么用的?肯定不是唱歌用的

“红豆、绿豆、大红豆……”。我叫阿鹏,我一会儿介绍一下我们几位嘉宾

。细心的朋友可能发现,我们比每次开始的时间推后半小时,主要是今天在

室外的环境当中,希望大家在这一刻二环边上揽日月之精华,其他的场地是

很难提供这样的机会的。
    说到黑洞的奥秘,大家肯定觉得是玄学的概念,也有一些专业朋友从专

业的领域出发,多少了解一些。从英方专家的履历来看,应该用五体投地来

形容,因为他是杜伦大学天文系主任,同时是萨赛克斯大学的天文学博士,

还拿了一个剑桥大学的文学硕士学位。一会儿我们好好交流,首先欢迎我们

今天的英方专家马丁伍德教授,中方专家天文馆馆长朱进教授,他还在路上

奔忙着,北京的路很堵。首先把话筒交给英方专家。
   
    马丁伍德:谢谢刚才主持人所做的介绍,下面我就简单的把自己和大家

介绍一下,然后开始今天的讲座。首先在这里向英国使馆文化教育处表示感

谢,感谢他们组织这次活动,而且在这样漂亮美丽的地方安排这场活动,而

且今天的天气也非常的配合。
    下面我给大家简单的介绍一下我是从什么地方来的?我来自英国的杜伦

大学,在这里大家可以看到,是我所在的地方的一个图片。
    (见图)这边是一个城堡,是我所处的学院的位置,在这个旁边有一个

大的教堂,这两个都是古老的建筑,它们都有一千年的历史。但是,我所在

的杜伦大学的历史不是特别的长,也就两百多年。大家可以看到的大教堂非

常的漂亮,是欧洲最漂亮的大教堂之一,另外一个之所以出名的原因是《哈

利·波特》一系列的电影在这里拍摄的。在这张图上可以看到,杜伦在英格

岛所处的位置。我个人就介绍到这里。
    下面我们进入今天演讲的主题。我知道在座的各位当中,可能有一些是

天文学方面的专家,而且或者大家对这个题目有深入的兴趣,恐怕我这里给

大家讲,你今天所能学到的新的知识不是特别的多,如果你是一位专家的话

。但是,至少在这里,大家可以看到非常美丽的图片,尤其是和黑洞相关的


    在这里,大家可以看到,通过今天的演讲,我试图回答这样三个问题:

黑洞是什么?黑洞是如何形成的?最后讨论一下黑洞在整个宇宙当中所发挥

的重要作用。
    在我们进一步讨论黑洞这个问题之前,我首先给大家简要的介绍一下恒

星,恒星到底是什么样的?我们的太阳,我们现在看不到太阳了,因为天色

已经渐渐变暗了,实际上太阳是一颗普通的恒星,离我们非常近,我们可以

清晰的看到它,而且它是非常明亮的。
    实际上,恒星都是一些非常简单的物体,尤其是从天文学和物理学的角

度来说,之所以说它们是简单的物体,实际他们是由气体构成的一个球。
    (见图)在这里,我给大家看到一个气球的图片,气球不是恒星,但是

和恒星相似之处是由气体构成的,对气球来说,气球的表面能够把气体包在

里面,对于恒星来说,是因为恒星的重力作用可以吸引周围的物质,但是它

们都是由气体构成的。
    事实上我们所看到的太阳,是在我们银河系当中,或者是在宇宙当中成

千上亿颗的恒星之一。为什么这些恒星它们会发出亮光或者是闪闪发光,主

要是恒星的核心的部分发出的核聚变。在恒星,我们刚才说到之所以会发光

或者是发亮,是由于发生了核聚变。但是,当恒星本身的燃料或者是内部的

能量耗尽之时,这个星星会发生什么样的事情,比如开一部车,如果车里没

有汽油车就会停下来,对于恒星来说,燃料耗尽以后,这个星星会发生什么

事情呢?为什么在成千上亿年的过程中很多恒星保持不变,就是说吸引力和

热气产生的气压形成一种平衡的力量。当然,当核聚变,就是核爆炸的过程

停止了以后,没有热力散发出来的时候,这种情况下,恒星的引力在平衡当

中占了上风。
    下面我给大家做一个展示。
    大家可以看到,在我手里拿这么一个气球,可以比作是一颗恒星,如果

它是一颗恒星,最终的命运是什么样的?很大程度是取决于恒星的质量,它

有多重。当这个恒星核聚变停止以后,恒星就会收缩,越来越小。这种收缩

的过程会产生一些热力,这个时候也会使恒星发光的时间更多、更长一些。

 
    现在就有这样一个有趣的问题,当恒星彻底收缩之后会发生什么样的事

情?事实上等待一个恒星的命运,基本来说有三种,至于说具体以什么样的

命运而终结,依赖于这个恒星本身的质量,就是它有多重。对于质量不是特

别大的恒星,就像太阳,太阳不是很大的恒星,是普通的恒星,这样的恒星

最终的命运就是变成一个白矮星。如果对于一个重量稍微大一点的恒星,比

如它的重量可能是太阳的两到三倍,这样的恒星最终成为一个中子星。如果

恒星本身的质量超过太阳质量的三倍,最终就会变成一个黑洞。
    下面,我给大家解释一下为什么这些白矮星、中子星和黑洞它们能够存

在?
    对于白矮星来说,这两个恒星它们之间不断的收缩,最后他们的电子就

变得非常近。现在我给大家做一个演示,我手里拿的两个乒乓球就相当于两

个电子。这两个电子就会合成这样。实际上大家可以看到,这两个球都已经

被破坏了。但是,从物理学的角度来说,这两个电子是不可以合为一体,不

可以变成一个,而只有一个核心。从物理学的角度来说,两个电子不能合二

成一,这样的一种力量,使他们不能进一步收缩。这就是为什么白矮星能够

存在的原理,对于中子星来说,其实道理也是相同的,其核心就是不再是电

子,而是变成中子。
    由于就中子而言,引力更加大,所以,电子两个可以吸引的更近一些。

但是,实际上它和中子星和前面的白矮星的电子道理是一样的,在同一个地

方不能同时存在两个中子,这两个中子不能合二为一。
    对于质量相当大的一些恒星来说,它们会发生什么样的事情,最终他们

会发生爆炸,成为超新星。这是我们最近观测到的一个超新星的现象,是

1987年,在离我们很近的麦哲伦星云当中发现的。
    (见图)图片上可以看到,左边是天空的区域,两个照片是天空的同一

个区域,左边是发生爆炸之前,右边是发生之后的。在恒星爆炸的过程中会

发生巨大的能量,这个能量相当于产生一个星系的能量。
    (播放视频文件)如果我们这张片子能够放出来的话,大家可以看到超

新星爆炸的过程。
    在这里大家可以看到,最终恒星发生了一个大爆炸,爆炸之后恒星的物

质散布在宇宙当中。
    大家可以看到,爆炸之后放射出来的物质由很多不同的成份构成,非常

有意思的一点,每一个人,在座的你我,包括地球上所有人,包括地球的物

质,所有的构成都是由爆炸的物质形成的。因为就是爆炸之后产生的这些物

质,最终他们会形成像地球这样的行星,以及像太阳系这样的星系。
    我们在这里当然不是讨论超新星,而是讨论黑洞,中间发亮光的地方就

是爆炸之后剩下的物质。前面我们说到对恒星来说,最终有三个命运,或者

成为一个白矮星,或者成为一个中子星,或者成为一个黑洞。但是,对于白

矮星来说,不会发生像超新星这样的爆炸,因为它的重量不够大。所以,今

天大家晚上睡觉的时候不必太担心,太阳有一天会发生超新星这样的大爆炸

,因为它的质量没有那么大。但是,质量大一些的恒星,它们就会发生像超

新星这样的大爆炸,最后剩下的就是屏幕上看到的这样的中子星。
    如果中子星像我们看到的不断的旋转的话,像在沿海按可以看到的灯塔

一样,会不断的旋转,然后发出光亮。我们把这样的一些旋转的中子星叫做

脉冲星。我们通过天文望远镜已经观测到,在我们的星系当中存在很多类似

的脉冲星。
   (播放视频文件)形成黑洞的一个方式,一个是质量非常大的恒星产生

爆炸,另外一个方式就是两个中子星能够合并。大家可以看到,两个中子星

不断的旋转,最后可能产生一个大的爆炸,爆炸之后所剩下的就是一个黑洞

了。
    我们现在看这样的一个问题,黑洞是否真正的存在,而且我们有什么样

的证据证明确实有黑洞存在?基本来说,我们有两种不同类型的黑洞,一种

是它的质量相当于太阳质量的3-50倍比较小的黑洞,另外还有一类是质量比

较大的,质量相当于太阳100万倍-10亿万倍之间。
    (见图)我们先来看一下这些小的黑洞。事实上黑洞就像一些极限运动

一样,在这些极限运动之中,运动员的能力和体能被挑战到最顶点的地方。

在黑洞的形成过程中,实际上我们看到物理现象已经到了极限的现象了。
    (见图)在这里,大家可以看到,光线是这样一种传播的轨迹,当它遇

到有黑洞的时候,光线也会发生弯曲,是因为受到黑洞非常大的吸引力的作

用。一般情况下,光线是以一种直线的方式传播的,但是光线遇到黑洞这样

质量和吸引力非常大的物体之后,光线就会发生弯曲。这种弯曲的角度是取

决于黑洞本身的质量的大小。在黑洞的情况下,质量相当的大,而且吸引力

非常大,甚至整个把光线都吸收了。
    我们再举一个小例子,比如我把球向上抛一下,扔上去以后自然的会落

回到地球上来。比如像这样的一个“火箭”,我拿的是“长征火箭”,本身

有强大的动力和质量,就有能力摆脱地球的吸引力,飞出地球之外,或者按

照它的轨道来运行。这种情况,火箭具备脱离或者是摆脱地球引力的能力。

比如我现在在一个黑洞上,我扔出去一个球,当然这是不太可能的,当然如

果有机会这样做的话,在黑洞上扔出去,当然它也会落回来。但是,如果我

们能够在黑洞上,比如我扔出去,或者是投射出去一束光线,甚至光线也会

被吸引回来,因为黑洞本身的吸引力是非常强大的。也就是说要想脱离黑洞

的吸引力,就必须至少有光的速度,这也是为什么黑洞是黑色的原因。这样

我们就面临这样的一个问题,如果黑洞本身是黑色的或者是黑暗的,而我们

整个宇宙也是黑暗的,我们怎么样来证明,怎么样知道这些黑洞是存在的?

我们的答案,我们必须依赖于在黑洞周围所发生的一些现象或者是物质,而

不是黑洞本身。
    (见图)对于我们来说,比较幸运的一点,太阳不是一个双星,只是一

个单星,如果是双星的话,对我们来说生存就非常困难了。当然,在宇宙当

中存在很多成对出现的双星。如果是一个双星这样出现的话,很有可能的情

况,其中之一就会出现超新星这样的现象,就是爆炸,会出现一个黑洞,而

另外一个正常的恒星会保存下去。如果这两个星的距离非常近的话,一个恒

星表面上的气体就会被吸引到另外一个恒星上去,因为这些气体是在不断的

旋转的,最后就会形成这样一个盘。
    (见图)在这里,大家可以看到红色的部分是普通的恒星。大家可以看

到,从恒星上旁边的气体在不断的旋转,形成气团一样的东西,就像浴盆里

的水要不断的吸下去,不断的旋转,最后从下面漏下去。在这个核心的部分

,就是一个黑洞,当气体不断靠近黑洞的时候,就会变得非常的热。非常热

的气体,就会发射出来X光线。
    (见图)这里大家可以看到太阳光发的光线,这些光谱,就像平时看到

的彩虹。但是我们所看到的太阳光线的光谱,实际上是所有的光线光谱当中

非常小的一部分。大家还可以看到,有无线电播,还有长波、短波,其中有

一部分就是X光线。如果是非常冰冷的物体,就会在这一部分,就是红外线

,如果是非常热的物体,就会在另外一边,就会发出X光线。
    (见图)现在回到刚才的问题,如何知道黑洞确实是存在的?实际是我

们通过探索这些黑洞周围发射出来的X光线知道的。但是,只是探测周围的

一些X光线是不够的。我们只是通过这样的一种方式来进行测量,测量中间

的黑洞质量到底有多少。如果说有一个普通的恒星,经过黑洞周围的时候,

就会挡住黑洞发射出来的X光线。这就是说我们一个东西在另外一个东西的

前面,就阻挡了X光线。通过这样一些观测,我们可以发现黑洞的轨道。   
    (见图)大家可能都知道,英国著名的科学家牛。,大家可能见过一英

镑的纸币,牛顿非常的重要,也非常的有名,放在我们的纸币上了。其实像

我们刚才所描述的,大家只需要掌握非常简单的牛顿的物理学的一些原理,

就是大家高中学过的一些知识。对我们这样提到的比较简单的测量,大家并

不需要掌握像爱因斯坦相对论这样复杂的原理。所以,我们实际上可以通过

非常简单的计算就能够测量出来我们所看不见的黑色的物体质量到底是多少

。但是,我们确实需要这样一种天文或者是天空当中有这样一种望远镜。因

为我们在地球上无法测量X射线,因为会被大气层吸收,所以,我们需要在

外太空有天文望远镜来测量X光线。我们通过这样的一些方式,就可以测量

出来其中的物质,它的质量到底有多大?如果我们最后测量质量超过地球的

三倍,我们就可以证明这就存在一个黑洞了。
    通过我们存在于外太空的天文望远镜,通过一系列的测量,我们观测到

在我们的行星中差不多有20个物体,都超过了地球质量的三倍,所以,我们

可以判断存在20多个黑洞。
    最后,我花几分钟给大家讲一下那些质量非常大的黑洞,不是像我们提

到的质量只有太阳质量的几十倍,它的质量会是太阳的几百万倍或者是几十

亿万倍,这样质量非常大的黑洞。
    (见图)这是我们通过天文望远镜拍摄到的一幅我们看到的星空的照片

,这是我们所在的银河系。
    (见图)这是我们通过红外线拍摄到的另外一幅我们所在的银河系的图

片。
    (见图)事实上我们所在的银河系,就像螺旋型旋转的一个东西,从上

往下看就是上面的这样一种形状。我们太阳系位于银河系比较外围的部分。

在我们的银河系核心部分,我们认为是存在着一个黑洞的。我们也运用了前

面所提到的双星的牛顿的原理来测量银河系当中所存在的黑洞。通过这样一

些方式来计算出在整个银河系比较核心的恒星它们运行的轨迹,通过同样的

方式计算其核心的部分可能是黑洞的部分,核心的质量。在这里,可以看到

我们一些计算的方法,当然,这并不是真正的恒星,但是运行的轨道确实是

一些恒星的轨道。通过对其周围的恒星的运行的轨道的测量和计算,我们相

信在整个星系的核心部分存在这样一个黑洞,其质量达到了太阳质量的两百

万倍到三百万倍。我们之所以能够进行这样一些非常准确和精确的计算,是

因为我们生存在银河系当中。当然,事实上在整个宇宙当中存在着成千上万

个其他的星系,银河系只是其中之一。
    (见图)我们相信在整个宇宙当中所存在的其他的星系当中也存在着刚

才所描述的类似的这样黑洞。在这里,大家可以看到,在前面的部分是时间

的起点。从时间的起点,有这样一个不断发展的过程,底下看到的就是现在

所处的时间。如果按照刚才描述的方式,很可能在时间起点的地方,就存在

着黑洞,这个黑洞就好象整个宇宙的种子,形成我们各个不同的星系,也决

定着这些星系以一种什么样的方式来演化。
    实际上,我很快要结束我的发言,我要讲一下,我为什么有中国之行,

我们希望和中国的科学家和中国的天文学家共同展开关于黑洞的研究的合作

,我的同事王教授也在听众当中,我们致力于在这方面展开进一步的研究。

事实上,为什么黑洞对我们来说如此之重要,我们要了解为什么有现在,有

今天,必须追溯到时间的起点。
    (见图)这里大家可以看到前面我们计算的方式。实际上我们现在所研

究的一些方面,我们希望搞清楚这些物质的结构都是什么样的,而且希望搞

清楚黑洞对这些物质的结构产生什么样的影响。
    (见图)就像中国古代的哲学家所说的,如果我们要预知未来的话,就

必须研究我们的历史,研究我们的过去。
    谢谢大家!
   
    马丁伍德:组织方面告诉我,我应该向大家提出一个问题,在我提问题

之前,再给大家解释一下为什么大家手里每个人都发了一些豆子。希望大家

没有把这些豆子吃下去。给大家这些豆子,就是做一个简单的比较,如果有

一天,如果有可能的话,我们所生存的地球会成为一个黑洞,当然这是不可

能的,假设地球是一个黑洞的话,我们所生存的地球就像大家手上拿的豆子

一样。大家可以把豆子拿回家当成纪念品,想象一下,地球变成黑洞的时候

,我们的地球就这么大了。
    最后给大家提出一个问题,来检查一下刚才我在发言过程中大家是不是

打盹儿了。这个问题是,太阳作为一颗恒星,最终的命运如何?是否最终成

为一个白矮星,或者是成为一个中子星,或者是成为一个黑洞。
   
    主持人:再次感谢马丁伍德教授。今天的翻译老师和录入老师非常的忙

碌,在室外的环境当中。刚刚看到有一些朋友才来到科技咖啡馆的活动。
    我们这个活动在北京进行了四年之久,经常用咖啡馆的形式和大家探讨

科技的话题,在全世界不同的城市有类似的咖啡馆的活动进行,我们感谢赞

助方,特别是提供大力支持的中国光大银行和正在进行网络直播的千龙网和

北外网院,如果下一次没有来的话,可以看一下我们网上的直播。


   7月18日科技咖啡馆之黑洞的奥秘(二)

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