Kev Piav Qhia Txog Physics Txog Cov Qhov Dub
Ib lub qhov dub yog ib qho ntawm cov khoom uas muaj zog tshaj plaws hauv lub ntiaj teb no: ib cheeb tsam ntawm qhov chaw-lub sijhawm nrog lub zog hnyav heev uas tsis muaj dab tsi - txawm tias lub teeb - tuaj yeem khiav dhau ib qho chaw. Txawm hais tias lawv yuav zoo li "qhov" qhib hauv qhov chaw, cov qhov dub tsis yog qhov chaw khoob, tab sis yog qhov tshwm sim ntawm kev sib sau ua ke ntawm lub zog / lub zog rau hauv ib qho me me. Hauv kev kawm txog physics niaj hnub no, cov qhov dub ua haujlwm ua cov chaw kuaj mob ntuj rau kev sim kev sib piv dav dav, quantum mechanics, thiab peb txoj kev nkag siab txog qhov chaw thiab lub sijhawm.
1. Keeb kwm ntawm lub tswv yim ntawm cov qhov dub
Lub tswv yim ntawm cov khoom uas muaj lub ntiajteb txawj nqus loj heev tau pib txij li xyoo pua 18th. Txawm li cas los xij, kev nkag siab zoo txog physics tsuas yog tuaj tom qab Albert Einstein tau tsim nws txoj kev xav dav dav ntawm kev sib piv hauv xyoo 1915. Hauv kev sib piv dav dav, lub ntiajteb txawj nqus tsis yog pom tias yog lub zog yooj yim ntawm kev nyiam, tab sis yog qhov nkhaus ntawm qhov chaw-lub sijhawm los ntawm pawg thiab lub zog. Yog tias ib yam khoom loj heev thiab ntom ntom, qhov nkhaus ntawm qhov chaw-lub sijhawm nyob ib puag ncig nws yuav ntse heev.
Xyoo 1916, Karl Schwarzschild tau tshawb pom thawj qhov kev daws teeb meem lej rau Einstein cov qauv rau qhov xwm txheej ntawm lub cev pob zeb uas tsis tig. Qhov kev daws teeb meem no kwv yees qhov radius tshwj xeeb uas, yog tias muaj lub cev pob zeb, "lub qab ntuj khwb" yuav tsim. Lub tswv yim no tom qab ntawd tau hloov mus rau hauv kev nkag siab niaj hnub no ntawm cov qhov dub.
2. Lub qab ntuj khwb: qhov ciam teb "tsis rov qab los"
Tus yuam sij rau lub qhov dub yog lub qab ntuj khwb, ib qho chaw xav uas cim ciam teb qhov twg qhov ceev khiav tawm sib npaug rau qhov ceev ntawm lub teeb. Hauv kev kawm txog physics, qhov ceev khiav tawm yog qhov ceev tsawg kawg nkaus uas ib yam khoom tuaj yeem khiav tawm ntawm lub ntiajteb txawj nqus yam tsis poob rov qab. Ntawm lub ntiaj teb, nws yog li 11,2 km / s. Txawm li cas los xij, yog tias ib yam khoom loj heev thiab muaj lub vojvoog me me, nws qhov ceev khiav tawm tuaj yeem tshaj qhov ceev ntawm lub teeb.
Vim tias, raws li kev sib piv tshwj xeeb thiab dav dav, lub teeb yog qhov ceev tshaj plaws rau cov ntaub ntawv thiab cov khoom, txhua yam uas hla dhau qhov xwm txheej tsis tuaj yeem xa lub teeb liab rov qab los. Qhov no yog vim li cas cov qhov dub zoo li "dub": lub teeb nkag mus tsis tuaj yeem tawm mus, yog li tsis muaj lub teeb rov qab los rau tus neeg saib.
Mathematically, rau lub qhov dub Schwarzschild, lub vojvoog ntawm nws lub qab ntuj khwb hu ua Schwarzschild radius:
rₛ = 2GM / c²
Qhov twg:
- G yog qhov tsis hloov pauv ntawm lub ntiajteb txawj nqus,
– M qhov hnyav ntawm cov khoom,
- c qhov ceev ntawm lub teeb.
Qhov loj dua qhov hnyav, qhov rₛ loj dua. Qhov nthuav yog tias cov qhov dub tsis tas yuav tsum yog "me"; cov qhov dub loj heev muaj cov kab rov tav uas tuaj yeem loj dua li cov orbits ntawm cov ntiaj chaw.
3. Singularity: ib qho chaw kawg hauv tus qauv relativity
Hauv nruab nrab ntawm lub qhov dub, kev sib piv dav dav kwv yees qhov singularity, ib cheeb tsam uas qhov nkhaus ntawm spacetime dhau los ua lej tsis kawg, thiab qhov hnyav ntawm lub cev zoo li tsis kawg. Txawm li cas los xij, ntau tus kws tshawb fawb txog physics pom qhov singularity ua ib qho cim qhia tias txoj kev xav (kev sib piv dav dav) tsis tiav rau cov xwm txheej hnyav no.
Qhov no yog qhov uas qhov xav tau rau txoj kev xav ntawm lub ntiajteb txawj nqus quantum tshwm sim: kev sib xyaw ua ke ntawm kev sib piv dav dav thiab quantum mechanics uas tuaj yeem piav qhia txog qhov tshwm sim ntawm qhov me me thiab muaj zog heev. Txog niaj hnub no, cov singularities tseem yog ib lo lus nug tob - seb lawv puas muaj tiag tiag, lossis tsuas yog cov khoom siv ntawm cov qauv lej uas nthuav dav dhau lawv qhov kev siv.
4. Hom qhov dub
Feem ntau, cov qhov dub raug cais raws li lawv qhov hnyav thiab cov txheej txheem tsim.
1. Lub qhov dub loj heev
Tsim los ntawm kev tawg ntawm lub hauv paus ntawm lub hnub qub loj heev tom qab muaj kev tawg ntawm supernova, lawv qhov hnyav feem ntau yog ntau txog kaum npaug ntawm qhov hnyav ntawm Lub Hnub.
2. Lub qhov dub loj heev
Nyob hauv nruab nrab ntawm cov galaxies, suav nrog Milky Way (Sagittarius A). Lawv qhov hnyav yog ntau lab mus rau ntau txhiab npaug ntawm qhov hnyav ntawm Lub Hnub. Lawv cov txheej txheem tsim tseem tab tom kawm; lawv yuav tshwm sim los ntawm kev sib koom ua ke ntawm ntau lub qhov dub thiab kev sib sau ua ke ntawm cov khoom siv ntau txhiab xyoo.
3. Cov qhov dub nruab nrab
Lawv cov pawg neeg muaj txij li pua pua mus txog ntau pua txhiab lub pawg neeg ntawm lub hnub. Cov pov thawj rau lawv qhov muaj nyob tab tom loj hlob tuaj, tab sis lawv cov pejxeem tseem tsis tau muaj daim ntawv qhia zoo.
4. Cov qhov dub qub (kev xav xwb)
Nws xav tias tau tsim nyob rau hauv lub ntiaj teb thaum ub vim muaj kev hloov pauv ntawm qhov ceev heev. Nws tseem tsis tau muaj pov thawj, tab sis nws feem ntau tau tham txog hauv cosmology thiab yog tus neeg sib tw rau cov khoom tsaus ntuj.
5. Kev cuam tshuam ntawm cov qhov dub rau ib puag ncig: accretion thiab disks
Txawm hais tias cov qhov dub lawv tus kheej tsis tso tawm lub teeb, lawv ib puag ncig tuaj yeem ci ntsa iab heev. Thaum cov roj thiab hmoov av poob rau ntawm qhov dub, cov khoom siv feem ntau tsim cov accretion disk. Kev sib txhuam thiab cua sov los ntawm nws txoj kev txav mus los sai ua rau lub disk no tso tawm ntau lub zog, feem ntau yog nyob rau hauv daim ntawv ntawm X-rays.
Hauv cov qhov dub loj heev uas ua haujlwm, cov accretion disks tuaj yeem tsim cov quasars - qee qhov ntawm cov khoom ci ntsa iab tshaj plaws hauv lub ntiaj teb. Ntxiv mus, qee qhov qhov dub tso tawm cov dav hlau relativistic, cov dav hlau ntawm cov khoom me me uas tua tawm ntawm cov ncej ntawm qhov dub ntawm qhov ceev ze li lub teeb. Cov dav hlau no cuam tshuam nrog cov interstellar medium thiab tuaj yeem cuam tshuam rau kev hloov pauv ntawm cov galaxies.
6. Kev sib piv ntawm lub sijhawm nyob ze ntawm lub qhov dub
Ib qho ntawm cov lus kwv yees uas txaus nyiam tshaj plaws ntawm kev sib piv dav dav yog lub sijhawm nthuav dav ntawm lub ntiajteb txawj nqus. Lub zog ntawm lub ntiajteb txawj nqus, lub sijhawm qeeb dua piv rau thaj chaw uas muaj lub ntiajteb txawj nqus tsis muaj zog (hauv qhov sib piv ntawm ob tus neeg soj ntsuam). Nyob ze ntawm qhov xwm txheej, qhov cuam tshuam no dhau los ua qhov hnyav heev.
Rau ib tug neeg saib deb, ib yam khoom uas poob rau ntawm lub qhov dub zoo li qeeb qeeb thiab "khov" thaum nws mus txog ntawm lub qab ntuj khwb, nws lub teeb yuav liab dua (redshifted) thiab tsaus dua. Txawm li cas los xij, rau yam khoom uas poob nws tus kheej (hauv lub thav duab hauv zos), nws hla dhau lub qab ntuj khwb hauv lub sijhawm kawg thiab tom qab ntawd txuas ntxiv mus rau hauv nruab nrab yam tsis muaj kev "nres lub sijhawm" hauv zos. Qhov sib txawv ntawm qhov kev xav no tsis yog kev sib cav, tab sis yog qhov tshwm sim ntawm cov qauv relativistic ntawm spacetime.
7. Hawking hluav taws xob: cov qhov dub tuaj yeem "ua pa"
Xyoo 1970, Stephen Hawking tau muab cov tswv yim ntawm quantum mechanics nrog rau qhov chaw-lub sijhawm ze ntawm lub qab ntuj khwb thiab pom tias cov qhov dub yuav tsum tso tawm cov hluav taws xob thermal, tam sim no hu ua Hawking radiation. Hais yooj yim, quantum fluctuations hauv lub tshuab nqus tsev tuaj yeem tsim cov khub particle-antiparticle. Yog tias ib qho poob rau hauv qhov dub thiab lwm qhov khiav tawm, ces los ntawm qhov pom ntawm tus neeg saib deb, lub qhov dub tso tawm cov khoom me me.
Qhov tshwm sim yog qhov xav tsis thoob: cov qhov dub tuaj yeem maj mam poob qhov hnyav thiab thaum kawg ua pa. Txawm li cas los xij, rau cov qhov dub loj lossis cov qhov dub loj heev, qhov kev ua pa no me heev - me dua li cov txheej txheem accretion hauv feem ntau. Hawking radiation yog qhov tseem ceeb tshwj xeeb rau cov qhov dub me me (hypothetical), vim tias qhov loj ntawm qhov dub me dua, qhov kub ntawm nws cov radiation siab dua.
8. Pov thawj ntawm qhov muaj cov qhov dub
Vim tias cov qhov dub tsis tso lub teeb ncaj qha, cov pov thawj rau lawv qhov muaj nyob los ntawm cov teebmeem ntawm lub ntiajteb txawj nqus thiab kev tawg los ntawm cov khoom nyob ib puag ncig. Qee cov kab pov thawj tseem ceeb yog:
- Kev txav ntawm cov hnub qub nyob ib puag ncig lub hauv paus ntawm galaxy:
Cov kev soj ntsuam ntawm lub voj voog ntawm cov hnub qub ze ntawm Sagittarius A qhia tau tias muaj ib qho loj heev, me me, sib xws nrog lub qhov dub supermassive.
- Cov hnub qub binary thiab X-rays:
Yog tias lub hnub qub ncig ib yam khoom loj heev uas tsis pom thiab cov khoom ntawm lub hnub qub ntws tawm los ua ib lub accretion disk, cov duab X-ray muaj zog tuaj yeem pom.
- Cov nthwv dej gravitational:
Cov cuab yeej ntes LIGO thiab Virgo tau pom cov nthwv dej gravitational los ntawm kev sib koom ua ke ntawm cov qhov dub. Cov cim no phim cov lus kwv yees ntawm kev sib piv dav dav.
- Duab ntxoov ntxoo ntawm qhov dub:
Lub Koob Yees Duab Event Horizon (EHT) tau thaij duab "duab ntxoov ntxoo" ntawm lub qhov dub hauv lub galaxy M87 thiab tom qab ntawd Sagittarius A. Qhov pom tsis yog lub qhov dub nws tus kheej, tab sis yog daim duab ntawm lub qab ntuj khwb uas tshwm sim tawm tsam lub teeb los ntawm cov roj kub ib puag ncig.
9. Cov lus nug qhib: cov ntaub ntawv thiab lub zog nqus quantum
Cov qhov dub kuj tseem ua rau muaj teeb meem tseem ceeb, ib qho yog qhov tsis sib xws ntawm cov ntaub ntawv. Hauv quantum mechanics, cov ntaub ntawv hais txog lub xeev ntawm ib lub cev yuav tsum tsis txhob ploj mus. Txawm li cas los xij, yog tias lub qhov dub ploj mus los ntawm Hawking radiation uas zoo li tsis paub, cov ntaub ntawv hais txog cov khoom uas tau poob rau hauv yuav mus qhov twg? Kev sib cav no tau ua rau muaj kev txhim kho hauv kev tshawb fawb txog hlua, holography, thiab lub tswv yim tias cov ntaub ntawv yuav raug khaws cia rau ntawm qhov xwm txheej hauv qee daim ntawv.
Xaus
Cov qhov dub tsis yog tsuas yog cov khoom siv astronomical txawv txawv xwb, tab sis kuj yog qhov sib tshuam ntawm ob lub hauv paus ntawm physics niaj hnub no: kev sib piv dav dav thiab quantum mechanics. Los ntawm cov xwm txheej thiab lub sijhawm nthuav dav mus rau cov discs accretion ci ntsa iab thiab cov hluav taws xob Hawking me me, cov qhov dub qhia tau tias lub ntiaj teb tuaj yeem ua haujlwm li cas ntawm qhov txwv ntawm peb cov kev xav. Kev tshawb fawb txog cov qhov dub txuas ntxiv mus ntxiv los ntawm kev soj ntsuam ntawm cov nthwv dej gravitational, cov telescopes siab daws teeb meem, thiab kev txhim kho ntawm quantum gravity - muab kev cia siab tias ib qho ntawm cov lus zais loj tshaj plaws ntawm lub ntiaj teb yuav maj mam nkag siab zoo dua.
