编者按

<正>2015年是爱因斯坦提出广义相对论100周年.广义相对论的提出是人们对时间、空间和引力本质认知质的飞跃.100年来,广义相对论经历了时间的考验,从亚毫米到太阳系的尺度,广义相对论得到了精确的检验.甚至在宇宙学的尺度上,该理论也得到了检验.广义相对论对引力理论、相对论天体物理和现代宇宙学的发展起到了极其重要的作用.广义相对论最惊奇的预言之一是黑洞的存在.现代天文观测表明银河系中就存在这种非常特殊的天体.     

史上首张黑洞照片的科学与技术

<正>黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的产物,也是宇宙中最神秘的天体.2019年4月10日,事件视界望远镜(Event HorizonTelescope,EHT)国际合作团队公布了利用全球的8个毫米波望远镜组成的干涉阵以约20微角秒的分辨率拍摄的首张黑洞照片,直接测量了射电星系M87中心黑洞的阴影和黑洞周围光环的大小,得到了M87中心黑洞的质量     

太空突破:人类捕获首张黑洞照片

<正>天文学家捕获首张黑洞照片,开启了人类对宇宙中最神秘天体的一场认知革命。照片显示了一个由尘埃和气体构成的光环,勾勒出了一个巨大黑洞的轮廓,这个黑洞位于距离地球5 500万光年外的大质量星系M87中心。什么是黑洞?100多年前,爱因斯坦提出广义相对论,把引力视为由物质和能量造成的时空弯曲,最早预言了黑洞的存在。     

事件视界望远镜对近邻星系M87中心超大质量黑洞的成像观测

<正>2019年4月10日21时,天文学家公布了人类首次拍摄到的近邻椭圆星系M87中心黑洞在1.3 mm波段的成像观测结果,看到黑洞视界的阴影,直接证明了黑洞的存在.黑洞是广义相对论关于时空和引力理论的伟大理论预言.直接证明黑洞的存在,不仅可以检验广义相对论的正确性,而且可以研究黑洞强引力场中的物理过程,解释相应的天文现象.黑洞与其他天体最本质的区别是它存在事件视界.事件视界是黑洞周围弯曲时空中的一个单向的、与外部观     

白洞

宇宙中存在黑洞已经是天界公认的事实，而且知道这种奇特的天体深藏于星系热核的内部，可以吸收靠近它的任何物质。黑洞的概念是从爱因斯坦的广义相对论推导出来的，真实的黑洞被认为是恒星的坟墓，在那里时空明显向黑洞弯曲。研究表明在爱因斯坦方程中还可能隐含一个更加奇特的时空弯曲：与黑涧的性质相反，天学家称之为“白洞”。     

《星际穿越》: 一部精彩的太空史诗

2019年4月10日,一张仅有十个像素大小的照片吸引了全世界的目光,这是人类历史上第一次拍摄到的黑洞照片,它不仅直接帮助我们确认了黑洞的存在,而且也再一次验证了爱因斯坦相对论的正确性. 在这张照片问世之前,各式各样的黑洞图片充斥在我们的生活中,实际上,它们是人们对黑洞的遐想与艺术加工.而电影《星际穿越》中的黑洞,除了必要的影视艺术加工外,最大程度上模拟还原了真实的黑洞.导演诺兰特别邀请了物理学家基普·索恩担任科学顾问.作为黑洞和广义相对论领域最杰出的物理学家之一,基普·索恩曾在2017年获得诺贝尔物理学奖.     

美哉物理(二)黑洞、白洞交相衬映

黑洞,一种看不见的特殊天体,却蒙上了一圈又一圈的神秘"光环",令人捉摸不透、莫测其高深.公众谈论黑洞,不免带有几分猎奇的心理;科学家搜索黑洞,着眼于检验理论预言的正确性.我们则认为,黑洞探讨之所以成为热门课题,是因为它显露了广义相对论这块"美玉"之微瑕;为促使时空理论的新世纪发展,冀望由此而找到合适的突破口.诚然,瑕不掩瑜,广义相对论历来被赞誉成"理论物理中最典雅的艺术杰作".     

混沌运动中的奇异吸引子

十多年前天体物理学家根据一系列实验和理论的研究提出了存在黑洞的假设.黑洞有一个重要的特性:一切物质一旦进入这个区域就被引力抓住,永远也不能逃脱.这种奇异的吸引性引起了人们广泛的兴趣.差不多在提出黑洞的同一时期(六十年代),一位美国科学家洛伦兹(Lorentz)提出了一种新的关于流体运动     

广义相对论的新验证设计

爱因斯坦的广义相对论创立至今,已经先后经过了水星过日点进动、光线在太阳附近引力场中的弯曲、光谱的引力红移、雷达波传播途经太阳引力场往返时间的延缓、引力波的接收、爱因斯坦万有引力透镜观察星体的多重影像等几次实验检验。虽然说其中的有些检验精度不是很高,特别是引力波的重复接收实验至今未果,但是在检验条件允许的误差范围内,广义相对论所预言的几个效应还是存在的。不仅如此,爱因斯坦的广义相对论还直接导致了现代宇宙学的诞生。现代宇宙学的发展与广义相对论的验证紧密相连。现在,中国天体物理学家提出了"随宇宙初始的膨胀惯性,     

人类对宇宙中黑洞的探索

前言人类对于宇宙结构、天体演化、宇宙起源等一系列极为壮观的科学和哲学问题的研究,与探索物质结构基元的原子论具有同样悠久的历史。从古希腊关于天体的优美神话开始,经过康德星云学说、哥白尼的日心说、开普勒行星运动三大定律、牛顿万有引力定律直到爱因斯坦广义相对论,宇宙的神秘面纱正在逐步被怀着巨大热情的人类揭开。科学研究的发展有时是出乎人们意料的。恒星天体演化后期的归宿之一是黑洞,近十多年来的研究表明,起源于研究天体的黑洞物理学,竟与研究物质的基本粒子理论在某些方面大有合流共进的趋势。这真是科学史上颇有戏剧性而又富有哲理性的奇观。今日的黑洞理论,建立在广义相对论、热力学、辐射理论、量子场论等最新物理理论的     

首张黑洞照片诞生——谈黑洞的前生今世

1905年和1916年爱因斯坦分别提出了狭义相对论和广义相对论,这不仅改变了人类对宇宙的认识而且还深深地影响了我们的日常生活,其中广义相对论一个著名的预言就是黑洞。目前,天文学家发现几乎每个星系中心都存在一个百万到百亿个太阳质量的巨型黑洞,而且每个星系中可能还存在上亿个恒星级黑洞。中等质量黑洞是否存在目前还不确定。黑洞存在的间接证据已经有很多,但人类更渴望直接看到黑洞的面目。黑洞虽然本身并不发光,但可以将吸积物质的引力能通过吸积盘变成辐射,从而被我们看到。北京时间2019年4月10日21时,事件视界望远镜项目在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿全球六大城市同步举行新闻发布会,公布人类获得的首张黑洞照片。这张照片摄自梅西耶87(M87)星系中心的黑洞,重约60亿太阳质量,距离地球5 600万光年,由全世界横跨几大洲近10台毫米波望远镜(或阵列)进行联网观测,项目团队包括来自中国科学院上海天文台等单位的10余名中国成员。可以说"人类首张黑洞照片"是继2016年发现引力波之后人们寻找到的爱因斯坦广义相对论最后一块缺失的拼图。本文还对未来中国在黑洞研究方面的重大项目做了简单介绍和展望。     

从大学辍学生到发明引力波探测器——雷纳·韦斯访谈录

正大约50年前,雷纳·韦斯(Rainer Weiss)就想到了探测引力波的办法。引力波是爱因斯坦广义相对论引力理论中所预测的无限小的时空涟漪。去年9月,关于引力波的预测终于梦想成真,1 000名物理学家通过激光干涉引力波天文台(LIGO)分别位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的两个巨大的探测器,终于在2015年9月检测到了引力波:十亿光年外两个巨大黑洞碰撞时产生的脉冲波辐射。周围同事们猜测,麻省理工学院(MIT)物理学家     

爱因斯坦受到挑战

美国西利桑那州立大学的物理学家 H.A.海尔最近宣称,他所领导的小组发现了爱因斯坦广义相对论错误的证据。海尔说:“如果对水星轨道的观察在规定的误差限内是正确的,那就有百分之九十五的把握说爱因斯坦的广义相对论不正确.”该小组证明,在引力场比地球强得多的地方,比如黑洞,这种错误是很明显的.物理学家们发现,按照他们掌握的新数据,从断面上看太阳并不是一个匀质的气态球体,其质量的95%以上集中在很大的核     

黑洞幻想

黑洞的形成、碰撞、蒸发正在用来验证爱因斯坦理论的结果，并用来孕育新物理学．这些研咒已在理论家的脑海和计算机中取得了很大成就。在芝加哥，当人们谈论黑洞时，人人都知道有个钱德拉（Chandra）的故事。这位来自一座嘈杂小乡村的钱德拉，在1966年驱使基普桑（KipThorne）去了普林斯顿大学．并很快地在那里完成了他的大学学业。此后，桑在加州理工学院成为了一名广义相对论专家。桑在芝加哥停留的目的是为了见到伟大的天体物理学家钱德拉塞卡（Chandrasekhar）─—人们通常称他为钱德拉─—钱德拉塞卡在1995年去世，享年84岁。桑拜访…     

全球合作推动人类知识进步

<正>全球科研人员合作的"事件视界望远镜"项目2019年4月10日发布了人类获得的首张黑洞照片。长久以来,黑洞只不过是广义相对论的预言、爱因斯坦的方程、模拟电脑图像、引力波等项目的间接证据,或者科幻小说的想象。然而,当全球科学界将分布在世界各地的8个射电望远镜(阵)组成"地球级别"的虚拟望远镜阵列,同一时刻、同一方向,对准同一片遥远星空,就连黑洞——这些深藏于宇宙各处的引力     

爱因斯坦的里程碑

<正>自阿尔伯特·爱因斯坦提出广义相对论的近一个世纪以来,科学家们基于他的理论取得了喜忧参半的成果。1914年:相对论和第一次世界大战爱因斯坦向科学界投出了一枚重磅炸弹——广义相对论,这枚"炸弹"的威力要远胜于真实的炸弹。第一次世界大战极度地限制了科学家分享想法以及实施对于检验广义相对论的关键性实验。一战时期,当时在俄国前线任职炮兵军官的德国物理学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)就试图尝试对相对论的理论进行检验。史瓦西的工作描     

宇宙中最黑暗的秘密

宇宙中最黑暗的地方是哪里?我们几乎可以脱口而出:黑洞!黑洞也是宇宙中最神秘的天体,它因难以探测而一度被人认为是仅仅存在于科幻小说中的天体.然而,越来越多的科学探索证实了黑洞的确存在于茫茫宇宙中.2020年,诺贝尔物理学奖首次颁发给了研究黑洞的科学家,他们分别是数学家罗杰·彭罗斯、德国天体物理学家赖因哈德·根策尔和美国天...     

匀速直线运动的克尔-纽曼黑洞的吸积

天体的物质吸积一直是天体物理学家感兴趣的现象,人们也已经得到了若干黑洞吸积的精确解.本文研究了一个作匀速直线运动的克尔-纽曼黑洞的吸积问题,获得一个解析解.将参考系选为黑洞静止参考系,将物质流近似为理想流体且旋度为零,流的速度矢量hu_μ可以表达为一个势ψ的梯度.得到势ψ所满足的微分方程(ψ~(,a));_a=0在克尔-纽曼黑洞时空的具体形式.在两个边界条件(即无穷远处势ψ的表达式和粒子数n在外事件视界上的有限性)下求得势ψ的微分方程的解.利用此解计算速度矢量各分量nu_μ,发现一般情况下,吸积流是三维的,即是空间3个坐标(r,θ,ф)的函数,不具备球对称性和轴对称性.最后计算出物质吸积速率,此速率取决于黑洞基本参量质量、电荷和角动量.     

揭开宇宙奥秘的”钥匙”

<正>英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金曾表示:"引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。(人类)探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。"由此可见,引力波探测对于天文学家和物理学家而言,有着至关重要的意义。首先,对引力波的研究可以加深物理学家对广义相对论的理解。广义相对论在对一些强引力天体系统的精确描述中,起到关键性的作用。在这些强引力系统中,牛顿力学不再适用,我们只能使用广义相对论来研究它们。通过对     

宇宙是个放大镜

爱因斯坦广义相对论中关于"宇宙放大"的预言被证实 2005年是"爱因斯坦年"在全球科学界纪念爱因斯坦逝世50周年和爱因斯坦广义相对论提出100周年之际,参与"斯隆数字化巡天观测"的美国天文学家通过对大约20万颗类星体以及1 300万个星系的研究发现:爱因斯坦广义相对论中关于宇宙放大现象的观点的确有据可依,整个宇宙其实就是一个巨大的放大镜,光线是可以弯曲的.