从喇叭花形溢洪洞到宇宙黑洞的散想

从喇叭花形溢洪洞到宇宙黑洞的散想

今年春季雨水充沛，到了二月中旬，干旱了十余年的 Berryessa 湖（Lake Berryessa ) 已接近建坝58年来的历史最高水位。该湖由它东南端的 Monticello Dam 截流蓄水而成，大坝附近有别具一格的喇叭花状垂直溢洪道 (spillway)， 其入口在平静的水面上形成一完美的＂塌陷＂水洞。身临其境，你会感到深不可测，用英文讲，就是有点儿spooky（至少本人在临近拍照时顿有此感），如果你有恐高症，则会有过之而无不及。不远的湖面上，几只野鸭浮在水上，怡然自得，这种反差让人注意到洞口的边缘应该是鸭子逃逸的临界线，过了这条线，鸭子将不能靠自身划水的能力逃脱坠入溢洪道的厄运。如果把鸭子当成光线，这个临界线和宇宙黑洞的事件视界（Event Horizon) 是多么地相像。
 
2017年2月25日拍到的 Monticello Dam 喇叭花状（Glory）垂直溢洪道

 
Monticello Dam Spillway (The Glory, 图片来自网络)

 
宇宙黑洞的计算机模拟图  (图片来自网络)

我曾有一老美同事，酷爱宇宙天文，讲起天体物理，宇宙定律，俨然是一位专家，相比之下，他的职业则更像是他的业余爱好。他在被公司＂精简＂前的一年多里，一直和我比临而坐，老让我们当他的听众，一来二去，有意无意，也从他那里听到了一些广义／狭义相对论等。逐渐地，对电视科学频道（TLC) 的一些节目，如＂How the Universe Works", "Through the Wormhole with Morgen Freeman" 等, 也兴趣盎然了起来，以至于后来竟啃了本 stephen hawking 的时间简史（The Brief Hishtory of Time)。

什么事反反复复听的多了，也就能讲讲了，但不一定能理解到深一层的理论问题。这让人想起一则有关爱因斯坦的幽默笑话： 

爱因斯坦因提出相对论而举世闻名，此后，盛名之下的爱因斯坦忙于应付不计其数的大学演讲，搞得他疲惫不堪。每次去演讲都是由司机理查开车送他，一到会场后，理查就在台下听演讲，一直做了30来次听众，而且每次都从头聆听到尾。一天风趣的理查向爱因斯坦提建议：“您太辛苦了，也一定讲烦了，您的演讲内容我可以背下来了，下次演讲时让我穿着您的衣服，代您演讲，可以吗？” “妙啊，反正那里认得我的人也不多。” 同样富于风趣的爱因斯坦回答道。 此后的那场演讲，身着爱因斯坦衣服的理查对于相对论的解说没有任何差错，把爱因斯坦的表情和动作也模仿的惟妙惟肖。爱因斯坦则打扮成司机，不仅开车送理查来演讲，而且坐在台下认真听讲。然而，在演讲结束理查要下讲台时，意料不到的事发生了。一位教授提出了许多问题。真的爱因斯坦静坐在会场的角落，心中吃惊不小。假的爱因斯坦却轻松地对那位教授说：“你的这些问题很简单，连我的司机都能回答...喂，理查，你上来帮我做些说明吧！” 于是，真正的爱因斯坦步上讲台，并迅速地对问题作了说明。

所以，我在此有点像理查的角色，高深的天文物理问题你得去问那些学术权威们哦！

自爱因斯坦创立相对论，＂钟变慢，尺变短＂等已经广为人知，他关于光线经过太阳时会被它的引力场弯曲的著名预测，很快就在上世纪初页被实际观测所证实。相对论的提出为人类认识宇宙万物打开了广阔的领域。之后随着时间的推移，理论与实验物理把黑洞理论和对它的实验观测推到了人们认识宇宙的核心领域。黑洞是否真有其事，一些人还在持否定态度。我曾在科学频道的＂How the Universe Works" 节目中，看到天体物理学者，在长达十几年的观测中，间接证明了黑洞的存在。她将天文望远镜对准许多光年之外的一个黑暗区域，发现有多个恒星围绕这个暗区作椭圆形运动，并且在临近该区时，速度明显加快。她观测的数据经计算机合成模拟后，在动画中可以形象地看到多个天体在围绕这个暗区作不同轨道的＂同心＂运动。虽然我是个门外汉，只是好奇而已，但这位天体物理学家的观测结果却足以让我相信黑洞确实存在。
 
(视频截图 from Katie Bouman's Seminar on TED)

深邃的宇宙可以说是太神奇了，充满着已知的未知，还有许许多多未知的未知。比如说，在那神秘的事件视界之后，是什么样的一个状态，坠入黑洞的物质发生了什么变化，等等，这些都留给那些聪明绝顶的理论物理学家们去猜想去解答了。而我们这些普通人如果对黑洞有兴趣的话，莫过于想看到一张黑洞的真实照片，也就是如俗话所说，眼见为实, 或 “A picture is worth a thousand words”。通过哈勃空间望远镜我们可以看到宇宙中很多天体和星云，它们要么自身发光，要么反射恒星的光芒。对于黑洞来说，光线到了那里，就像鸭子坠入上面照片中的垂直溢洪道一样，一去不复返了，使光学望远镜在拍摄黑洞时无能为力。但是，只要条件允许，科学家们总是有办法直接或间接地达到他们的目的。这不，最近有报道说，全球的天文物理学家们正在协作来拍摄一张我们银河系中心人马座A的超级黑洞，它离地球好远好远，有多远？ 从那里发出的光线要旅行26000年才到达地球，也就是说，我们今天看到的是那里两万六千年前的景象。天文物理学家们将动用地球上不同地区的资源，它们联动后，就像是拥有了一门直径相当于地球的超大望远镜。当所有的数据收集汇总后，要到明年初才能合成出人类历史上第一张黑洞照片。 关于如何实现这个目标，有兴趣的请参看TED视频: 
 
https://www.ted.com/talks/katie_bouman_what_does_a_black_hole_look_like

这张黑洞照片将不再是艺术家想象力的电脑模拟，而是根据天文望远镜对事件视界的观察数据经过电脑处理而成，也许会有我们想象不到的景象哦，还可能把我们对宇宙的认识向前推进一步，让我们拭目以待吧！