吞噬一切的黑洞竟然也有“压力”

  研究者基于量子引力的有效场论方法,利用沃尔德熵公式计算黑洞熵的量子引力修正,结果发现黑洞除了有温度外,对外界还会有压强。这种压强的效应极微弱,以太阳大小的黑洞来说,产生的压强只有地球大气压强的10—46倍。

  人们在生活工作中,都有着或大或小的压力。不过,让人意外的是,深邃宇宙中,就连能够吞噬一切的黑洞,也有“压力”。

  近日,一项最新研究表明,来自英国萨塞克斯大学的物理学家发现,黑洞实际上是更复杂的热力学系统,不仅有温度,还有压力。这是科学家首次发现黑洞有压力,相关研究成果发表于《物理评论D》。

  为何黑洞也有压力?此次研究人员是如何发现这一特性的?未来又应该如何验证?带着这些问题,科技日报记者采访了北京师范大学物理学系副教授、引力物理专家张宏宝。

  黑洞从假说到显露“真容”

  作为20世纪物理学界最重要的假说之一,黑洞让物理学家和天文爱好者都十分着迷。

  早在1783年,英国地理学家约翰·米歇尔就提出,宇宙中可能存在一种天体,其密度大到连光都无法逃逸。1915年,爱因斯坦在广义相对论中提出某些大质量恒星会演化为巨大的引力场。1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西的计算结果表明,如果大量物质集中于空间一点,其产生的引力可以让光也无法逃脱。1968年,美国天体物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒正式提出了“黑洞”一词。

  然而,由于黑洞无法被直接观测到,人类只能凭借一些间接的方式,例如借由其他物体的轨迹或被吸入物体的信息来证明黑洞的存在,并依据这些信息对黑洞进行研究。

  随着科普和科幻作品的流行,黑洞已经成为大众最熟知的科学概念之一,黑洞的“神秘属性”也刺激着人们对于宇宙的好奇心。在过去的几十年间,科学家围绕黑洞的相关特征提出了大量的假说,但时至今日,黑洞仍有许多谜团待解。

  2019年4月,经过200多名科研人员历时10余年的努力,人类才终于拍到历史上首张黑洞照片,这在黑洞研究历史上具有里程碑意义。

  “奇怪”的数字揭示黑洞压力

  即便见过了黑洞的“颜值”,人类仍然对黑洞的属性知之甚少。不过,随着研究的不断深入,科学家正在不断获得新的发现,这些研究成果也让黑洞的科学形象越来越“丰满”。

  事实上,早在1974年,著名物理学家霍金就已提出假说,认为黑洞能够不断向环境辐射热量,具有类似黑体的辐射光谱,即“霍金辐射”。这就意味着,黑洞应当有温度,而且黑洞最终会完全蒸发。根据霍金的理论,黑洞并不意味着绝对的虚无,而是会发射粒子,即散发出热辐射。霍金相信这种辐射最终会使黑洞失去足够的能量和质量,导致其最终消失。

  在过去2年当中,已有多项研究对霍金的该项假说进行了探讨。例如2019年以色列理工学院的科学家利用“玻色—爱因斯坦凝聚”状态的极冷气体来模拟黑洞的事件视界(即黑洞的一个看不见的时空边界,任何东西都无法从事件视界内部逃脱)。在这次实验当中,科学家观测到了“霍金辐射”。

  而在此次最新研究中,2位来自英国苏塞克斯大学的物理学家泽维尔·卡尔梅以及福克特·凯普斯教授所领导的研究团队在对史瓦西黑洞(一种最常见的黑洞模型)的熵进行量子引力校正时发现了一个“奇怪”的数字。随后,研究人员意识到他们所看到的数字代表的物理行为正是一种压力——黑洞也会对其周围的空间施加压强。

  研究者基于量子引力的有效场论方法,利用沃尔德熵公式计算黑洞熵的量子引力修正,结果发现黑洞除了有温度外,对外界还会有压强。这种压力的效应极微弱,以太阳大小的黑洞来说,产生的压强只有地球大气压强的10—46倍。不过,研究者也表示,目前还不清楚造成这种压力更深层次的原因。

  “发现黑洞压力”研究也有不足

  对于此次最新研究,张宏宝解读说,从科学研究的角度来看,刚刚发表的这篇研究论文属于一个中规中矩的工作,并没有什么重大突破,而且还存在两个较大的问题。其一是我们还没有一个完备的量子引力理论。如前文所述,该计算是在有效场论下的计算结果,当熵获得了量子修正,也许它的质量也获得了量子修正,这样那个所谓的黑洞压力就不存在了,但热力学第一定律依然正确;其二,即使最终可以把这个量子修正解释为黑洞压力的存在,其具备可观测的效应很小,因而缺乏观测价值。在该成果同其他理论的对话当中,这两点不足会有较大影响。

  张宏宝表示,在天文物理学、宇宙学研究当中,物理学和数学之间、可观测和不可观测现象之间的各种对话和碰撞普遍存在。科学研究需要建立在严谨的方法论基础之上,人类认知的拓展也是个循序渐进的过程,单个研究很难具备决定性的意义。“在数学公式中发现黑洞压力”是一个有趣的发现,但也只是一个小小尝试。正是在这些不间断的探索当中,黑洞的形象逐渐走向“丰满”,其轮廓也愈加清晰。对于真正的科学家来说,“发现黑洞”是一项长期持续的,而非一次性的工作。

  延伸阅读

  史瓦西黑洞:“寻常”的黑洞模型

  此次的最新研究发现是建立在史瓦西黑洞假说的基础之上。

  1916年,德国天文学家、物理学家史瓦西提出了史瓦西黑洞假说,将史瓦西黑洞设定为一个不带电、不自旋的黑洞,黑洞中心为奇点,黑洞的外圈为事件视界,又称史瓦西半径。史瓦西黑洞又被称为“寻常黑洞”,其本身只是一种假说模型,并不能代表现实当中黑洞的真实面貌。

  在史瓦西黑洞假说当中,还有一个等同概念叫做史瓦西度规,即史瓦西于1915年针对广义相对论的核心方程——爱因斯坦场方程——关于球状物质分布的解。史瓦西度规是爱因斯坦场方程最一般的真空解,这个解就是史瓦西黑洞。换言之,史瓦西黑洞和史瓦西度规,就是同一事物在物理和数学领域的不同模型形式。正如史瓦西本人在1913年当选德国科学院院士时说的“数学、物理学、化学、天文学是同向前行的,无所谓谁落在后面,也无所谓谁在前头并施以援手……数学、物理学、天文学构成了一个‘知识’,只能作为一个完美的整体而被理解。”

  当然,除史瓦西以外,其他科学家也提出了一些黑洞模型。例如一种同时带有角动量和电荷的黑洞假说,叫做克尔—纽曼黑洞,相比于静态的史瓦西黑洞,克尔—纽曼黑洞更接近于实际的黑洞。

  来源:科技日报

【“蜻蜓”号将造访土卫六!它有哪些重大任务[思考]】在太阳系众多的卫星中,土卫六最为突出——它是唯一一颗表面有丰富大气和液体的卫星。它甚至有一个类似地球的天气系统,尽管它下的“雨”是甲烷而非水。它可能也存在某种生命吗?

美国航天局的“蜻蜓”号任务将在21世纪30年代中期向土卫六表面发射一个旋翼飞行器可重新定位着陆器,这将是首次探索土卫六表面的任务,它“胸怀大志”,有着宏伟的目标。

近日,“蜻蜓”号科学团队在《行星科学杂志》上发表的一篇论文网页链接指出,其目标包括寻找化学生物特征;研究卫星活跃的甲烷循环;探索土卫六大气层和表面生物起源前的化学过程。

“土卫六代表着探险家的乌托邦。”该研究的共同作者、位于麻萨诸塞州的美国艺术与科学学院的天文学副教授Alex Hayes说,“我们对土卫六的科学问题非常广泛,因为我们还不知道土卫六表面到底发生了什么。在卡西尼号从土星轨道探索土卫六期间,我们回答了很多问题,但又得到了10个新问题。”

论文第一兼通讯作者、“蜻蜓”号副首席研究员、爱达荷大学物理学教授Jason Barnes表示,尽管卡西尼号已经绕土星运行了13年,但土卫六上厚厚的甲烷大气层使科学家无法可靠地识别其表面的物质。虽然卡西尼号的雷达使科学家能够穿透大气层,识别出其类似地球的地表形态结构,包括沙丘、湖泊和山脉,但数据无法揭示它们的组成。

图1:“蜻蜓”号任务进入、下降、着陆、星表操作和在土卫六飞行的概念图。
图2:美国航天局的“蜻蜓”号任务将在本世纪30年代中期向土卫六表面发射一个旋翼飞行器可重新定位着陆器,这将是首次探索土卫六表面的任务。图片来源:约翰斯·霍普金斯大学/ APL

“事实上,在卡西尼号发射的时候,我们甚至不知道土卫六的表面是甲烷和乙烷组成的液态海洋,还是水冰和固体有机物组成的固体表面。”Barnes说。

“惠更斯”号探测器于2005年登陆土卫六,其设计初衷是漂浮在甲烷/乙烷海洋中,或降落在坚硬的表面上。它的科学实验主要是在大气中进行的,因为科学家不确定它能否在着陆后存活下来。“蜻蜓”号将是第一个探索土卫六表面的任务,将确定其富含有机物的表面的详细组成。

“让我兴奋的是,我们已经预测了土卫六表面的局部情况,以及土卫六作为一个系统是如何工作的,而‘蜻蜓’的图像和测量将告诉我们它们是对还是错。”Hayes说,他几乎整个职业生涯都在为土卫六工作,他特别渴望回答卡西尼号提出的一些问题:行星表面过程和表面-大气相互作用。

“我的主要科学兴趣是了解土卫六是一个复杂的类地世界,并试图了解推动其进化的过程。”他说,“这涉及方方面面,从甲烷循环与地表和大气的相互作用,到物质在地表的路径,以及与内部的潜在交换。”

同时担任康奈尔大学天体物理和行星科学中心主任的Hayes还将在另一个重要领域贡献专业知识:火星探测器任务的操作经验。康奈尔大学的天文学家目前参与了火星科学实验室和火星2020任务,并领导了火星探索漫游者任务。Hayes说,从火星漫游者(如“机遇”号、“好奇”号等)身上学到的教训正在被转移到土卫六上。

“‘蜻蜓’号任务受益于康奈尔大学在漫游者方面的操作和在卡西尼号科学研究方面的丰富历史,并代表了两者的交集。”Hayes说,“它通过一艘可移动的飞船探索土卫六,将这两件事结合在一起。”

“蜻蜓”将在一个地点度过一个完整的土卫六日(相当于16个地球日),进行科学实验和观察,然后飞往一个新的地点。“科考队需要根据之前地点的经验来决定探测器下一步要做什么,这正是火星漫游者几十年来一直在做的事情。”Hayes说。

图3:艺术家绘制的“蜻蜓”号在土卫六上空飞行图。图片来源:约翰斯·霍普金斯大学/ APL

土卫六的重力更小(约是地球的1/7),大气层很厚(密度是地球的4倍),这使它成为空中飞行器的理想场所。它相对安静的大气层,比地球的风更轻,这让它变得更好。虽然科考队预计“蜻蜓”号飞行期间不会下雨,但Hayes指出,目前还没有人真正知道土卫六上的局部天气模式。

该小组论文中提出的许多科学问题都涉及到生物前化学,这是Hayes非常感兴趣的一个领域。许多在早期地球上形成的生命前化学化合物也在土卫六的大气中形成,他很想知道土卫六在生命前化学方面到底走了多远。土卫六的大气层可能与早期地球上的情况很相似。

“蜻蜓”号对化学生物特征的研究也将是广泛的。除了总体上检查土卫六的可居住性,他们还将调查过去或现在潜在的化学生物特征,从水生生物到可能使用液态碳氢化合物作为溶剂的生物,比如土卫六的湖泊、海洋或含水层。https://t.cn/A6IVi2uP

【名校巡礼】德克萨斯大学奥斯汀分校

德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin, UT, University of Texas,或Texas)是一所公立研究型大学亦是德州大学系统成员之一,也是该系统的旗舰学校。学校成立于1883年,校址靠近德州首府奥斯汀。

该校保持着全美单一校园中学生人数第5大的大学,目前依然是全德州人数最多的大学。

德克萨斯大学奥斯汀分校还被誉为“公立常春藤”院校。

学校环境

学校占地规模有1438.5英亩,是一所大型公立研究型大学,主校区拥有150座建筑楼群,占地总面积达18000000平方英尺。

学校最有名的建筑就是the Beaux-Arts Main Building,高达94米的钟楼建筑,于1937年完工,坐落于全校的正中心位置,晚上常常发出赤白的灯光,顶上悬挂56串钟,是德州最大的钟楼;大学图书馆与博物馆共7处,藏书900万卷,被誉为该城第7大学术图书馆;大学有其单独的广播站,与网络连通,全市地铁线路服务于全校师生与整个奥斯汀市。

德州大学附近的宿舍楼群曾是全球最大的计算机系统公司“戴尔”的发源地。

奥斯汀为美丽的山川湖泊环抱,景色宜人,也被评为全美最佳居住城市前十名。

虽然民风淳朴,但主张自由开放;2000年高科技产业大张旗鼓,各大厂房在此建立,加上德州大学稳定提供的高知识分子投入,一度被人们称为“硅山”与加州的“硅谷”遥相呼应。

本科申请

基本信息

USNEWS排名

42

学费(/年)

$38,228

申请截止日期

12月1日

TOEFL要求

79

食宿(/年)

$11,812

开学时间

每年8-9月

IELTS要求

6.5

申请费

$90

可申请学期

秋季、春季

SAT均分

1210-1480(1600)

录取率

38.5%

奖学金形式

Merit-based

平均GPA

-

申请人数

50,575

是否提供双录取

No

申请说明

SAT/ACT

SAT与ACT的正式考试成绩需于12月31日前递交给学校,新SAT必须Essay,ACT必需有Writing成绩,部分理工专业还需有SATⅡ成绩。

如学生选择递交多次SAT/ACT考试成绩的话,学校将选择其中某次对申请者最为有利的考试分数。

SAT单项均分:阅读570-680;数学600-710;写作560-680

ACT综合均分:26-31

注:尽管德克萨斯奥斯汀多数专业不需要有SATⅡ成绩,但大多数学生申请时都会递交至少1门的SATⅡ成绩,并且入学时,学校还会要求学生参加至少一门这样的考试,以方便学校帮助学生评估选课等。*(5)

AP/IB

德克萨斯大学奥斯汀分校接受国际课程如AP、IB课程抵学分。上述国际课程抵学分标准大致如下:(具体抵学分标准请查看外部链接)

AP课程:要求3-5分以上方才可以抵学分,大部分课程4分或5分,方可抵学分;

IB课程:一般IB要求高水准课程(High-Level)4-7分以上;标准水准(Standard Level)要求4-7分以上,IB课程最高可抵24个大学学分;

注:A-level课程是否可抵学分未详,抵学分标准未详。

德克萨斯大学奥斯汀分校也接受SAT/ACT考试成绩抵学分,抵学分标准大致如下:

SAT写作取得600-800分,ACT英语和写作取得26分以上,也可抵学分;

SAT II外国语科目考试,如韩语、拉丁语等,或数学、物理达到一定分数,也可抵学分,比如SAT数学I科目取得560-800分,SAT数学II科目取得530-800分,SAT物理科目取得600-800分,也可抵学分。

专业设置

会计

广告

航天

美国研究

人类学

考古学

建筑

艺术

亚洲研究

天文学

生物科学

商业

企业管理

化学工程

化学

古典文学

传播学

电脑科学

舞蹈

经济学

教育

电机工程

小学教育

时装设计

时装经销

影片艺术

财政

外国语言

地理

地质学

德文

保健科学

历史

人文学

室内建筑

国际关系

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市场学

数学

机械工程

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