Deep Dive
Shownotes Transcript
欢迎收听科学有故事比科学故事更重要的是科学精神从今天开始我要开启一个全新的系列节目过去的这几年我走进了全国各地的小学做了很多场科普讲座每次到了互动交流的环节那个场面可就热闹了孩子们的小脑瓜里面充满了各种各样的奇思妙想问题是一个接一个
而我发现在所有的这些问题中有一个词的出镜率是最高的这就是黑洞
现在的孩子对黑洞真的是特别感兴趣我看简直到了痴迷的程度他们眼睛里闪烁着对宇宙的好奇对这个听起来就酷得不得了的天体充满了向往但是呢通过跟他们的交流我也发现啊大家对黑洞的误解那可真是五花八门千奇百怪想象力丰富的让我这个写科幻的都有点自愧不如比如
比如说很多孩子一听到黑洞就以为那真的是宇宙中一个黑曲曲的洞像个大窟窿或者一个巨大无比的太空漩涡掉进去就不知道去哪了好像通往另一个神秘的世界
还有的孩子受科幻电影影响太深觉得黑洞就是个天然的传送门钻进去就能休得一下穿越时空跑到恐龙时代去看看霸王龙或者跑到几百年后看看未来的高科技甚至跑到另一个平行宇宙去和另一个自己握握手这些想法都很有意思充满了童真和想象力但也确实跟我们现在科学上认识的黑洞差别还有点大
真实的黑洞它不是一个传统意义上的洞你没有办法像掉进井里一样直接掉进去它更不是一个什么随意穿越的门至少以我们目前的物理学来看想靠它玩时空穿梭那就纯属是想多了它也不是一个会主动出击四处觅食的怪兽黑洞其实挺懒的它就待在那儿你不去招惹它它一般也不会主动来找你麻烦
它的引力虽然很强但也得遵守基本的物理规则
这些可爱的误解让我意识到,虽然黑洞这个词大家是张口就来非常熟悉了,但它到底是个什么东西呢?它又是怎么诞生的?它有哪些匪夷所思的特性?关于它,哪些是科学家们已经板上钉钉,有确凿证据的科学事实?又有哪些还只是停留在理论推测,甚至是大胆猜想的阶段?
可能很多人不光是孩子包括我们很多成年人也都还是一知半解甚至被一些不靠谱的说法给带偏了
正是在和孩子们的这些交流中让我产生了做这个系列节目的冲动我在想啊为什么我不专门做一个系列节目就用我最擅长的方式讲故事说人话把黑洞这个宇宙中最神秘最极端的家伙把他的身世背景他的脾气秉性他的是是非非给孩子们也给所有对宇宙好奇的大朋友们给彻底的扒个明白呢
我们不仅要揭开黑洞的神秘面纱更要看看人类是如何一步一步认识它的
就像我之前讲相对论的时间的形状讲天文学史的星空的情形一样我不仅要让你了解那些酷炫的科学知识更要带你来看一看这些知识是怎么来的科学家们是怎么思考的他们在这个过程中经历了哪些曲折和探索犯过哪些有趣的错误最终又是如何一步步逼近真相的
这背后的科学精神和思维方式就是那种大胆假设小心求证不断质疑勇于探索的精神我觉得呢这真的要比记住几个黑洞的结论本身更重要也更有趣那么到底什么是黑洞呢
用我自己的话来说黑洞可以看作是宇宙中最奇怪最神秘的一种天体它的引力极其强大强大到连光都无法逃脱我们还可以换个更抽象的角度来理解我们可以把它看作是宇宙中一个个时空的节点这里我说的节是神节的那个节字也就是团结的那个节字什么意思呢
想象一下我们生活的宇宙不仅仅是我们看到的三维空间还得算上时间这一维那么时间和空间就交织在一起形成了一个整体科学家们把它称之为时空你可以把这个时空想象成一张巨大无比有弹性的网我们平时看到的恒星行星就像是放在这张网上的一个个大小不一的保龄球
它们的质量会把周围的时空这张网给压弯产生凹陷而引力其实就是这种时空弯曲的表现物体之所以会互相吸引就是因为它们都在沿着弯曲的时空滑行而已
那么黑洞是什么黑洞就是这张时空之网上被一个质量超级大个头呢又被压缩的超级小的东西给戳出来的一个结或者说是一个无限深的坑在这个节点上或者说在这个坑底时间和空间都被极度的扭曲甚至被压缩成了一个我们无法理解的无限小的点这就是所谓的起点
但是我们又无法真正的看到起点它外面还包着一个黑曲曲的壳我知道当你们听到我的时空打劫或者无限深坑的比喻时一定还是有一点梦圈的我们普通人真的是难以想象时间和空间怎么会被扭曲成一个结或者一个无限小的点这到底是什么意思呢
这太挑战我们的日常经验了我承认如果不给你讲清楚这背后的物理学原理不给你讲明白爱因斯坦的广义相对论是怎么描述时间弯曲空间弯曲的你是很难真正理解黑洞到底是一个什么样的存在这也是我为什么一定要做一个长长的系列节目从头开始一步一步的才能把它讲明白的原因我们得有点耐心
人类研究黑洞的意义十分重大甚至可以说关乎我们对宇宙终极规律的理解为什么这么说呢因为它很可能就是打开内散通往大统一理论或者叫做万物理论大门的钥匙你看啊物理学家们经过了几百年的智力探索辛辛苦苦建立起来了两套特别厉害的物理理论体系
他们堪称为现代物理学的两大支柱一个就是爱因斯坦的广义相对论他在描述引力描述宇宙行星恒星这些大尺度的时空方面那叫一个精准简直是指哪打哪无数的观测结果都完美的印证了他的预言爱因斯坦自己本人利用广义相对论做出的所有预言都被证实了
最后一个被证实的预言就是在他被提出后过了整整 100 年被证实的引力波所以广义相对论那可以说是酒精考验的战士了太厉害了
而另一个呢则是量子力学它是专门研究原子电子中子质子夸克等等这些微观小不点的世界别看这些东西小啊但它们构成了我们这个世界的物质基础而量子力学描述它们的行为也是出奇的准确我们现在用的电脑手机激光核能背后都离不开量子力学的原理
可以说这两套理论在他们各自的地盘上那都是王者几乎统治了我们对宏观和微观世界的认知但是问题来了这两大王者碰到一起在黑洞这个极端的地方相遇的时候麻烦就来了特别是在黑洞的中心那个叫起点的地方理论上那里的密度无限大时空曲率无限大
还有黑洞那个被称为"世界世界"的那个神秘的边界广义相对论和量子力学的预言就开始互相打架了算出来的结果不仅互相矛盾甚至还会得出一些像无穷大、负概率这样让物理学家们一看就知道肯定是哪里出了问题的荒谬答案
我打个比方来说这就好像现在我们人类有两把尺子一把量大象特别的准一把量蚂蚁特别的准
但现在我们要量一个既像大象一样重但是它又像蚂蚁一样小的东西结果两把尺子给出的毒素却完全不一样甚至互相矛盾那这说明什么呢这只能说明我们这两把尺子还不够终极肯定还有一把更厉害的万能量天尺等着我们去发现
而这把万能尺子它必须要既能兼容广义相对论又能兼容量子力学能够统一的描述从宇宙到量子的所有现象而黑洞就是这样一个暴露了我们现有理论裂痕的照妖镜
他像一个严苛的考官无情的指出了广义相对论和量子力学的局限性同时呢他也像一盏指路明灯告诉我们未来物理学应该往哪个方向努力他就是物理定律的极限挑战场是通往那个传说中的万物理论大门的一把关键钥匙搞懂了黑洞说不定就能让科学家们找到那个能统一所有物理规律的终极密码
你说这事够不够根本够不够重要我联合东京大学的两位食品学博士为你们带来吃货科学指南在这个专辑中我们将一起跨越食物的表象深入到分子的世界揭示食物与健康的密切联系我会帮你摆脱鱼龙混杂的饮食谣言告别盲目的保健品陷阱我们将用科学的力量带你认识每一口食物的真相
在这里美味与健康不再是两难选择而是每一次舌尖上的智慧决策欢迎收听吃货科学指南有意思的是在过去很长一段时间包括爱因斯坦本人在内的很多物理学大牛都不相信宇宙中真实存在着黑洞这种怪物
他们觉得这玩意儿太离奇了太违反直觉了他们宁愿相信我们的物理学理论在某个地方出了 bug 或者干脆就是数学公式开的一个玩笑才导致了这么一个理论上的怪胎出现
爱因斯坦甚至一度认为自然界中会有一种机制来阻止恒星无限坍缩成黑洞然而科学最终还是要靠证据来说话的今天天文学家们通过各种先进的观测手段已经找到了足够多的令人信服的证据证明黑洞不仅仅是存在于理论推导中而是真实的存在于我们的这个宇宙中的
比如我们之前提到过在我们自己家也就是银河系的中心就趴着一个质量是太阳 400 万倍的超大质量黑洞天文学家们通过观测它周围恒星的运动轨迹已经可以清清楚楚地称出了它的体重研究它就能帮我们了解银河系是怎么形成和演化的甚至可能关系到我们太阳系的起源
所以我这个黑洞史话系列就是要带着大家一起来一次关于黑洞的深度游这趟旅程我保证是信息量爆炸而且故事也绝对精彩我先给大家透个底预告一下我们这趟旅程大概会经过哪些站点看哪些风景
我们会先坐上思想时光机,穿越回几百年前的牛顿时代,甚至更早,去挖一挖最早关于看不见的星星的那些老想法,你会惊讶地发现,原来在爱因斯坦之前那么久,就有人模模糊糊地想到了类似黑洞的东西。
虽然他们的想法跟现在的理论比起来那简直是小巫见大巫但也正是这些可爱的小巫才开启了我们对宇宙黑暗面的探索之路了解这段史前史能够帮助我们理解科学概念是怎么从模糊走向精确的当然要真正的理解黑洞爱因斯坦大神那是绕不过去的坎儿我们会花大力气用最接地气的方式来聊聊他的广义相对论
不过大家放心我肯定不会堆砌复杂的公式我会用各种好玩的比喻来帮你理解什么叫时空弯曲搞懂了这一点才能把黑洞的面纱给真正的揭开不过有意思的是黑洞这个概念刚刚出来的时候它可是个万人弦连爱因斯坦自己都看不上它觉得它就是个数学公式里的怪胎它根本不相信宇宙中真的能够出现这样的一个东西
那么后来科学家们又是怎么被现实打脸,一步步从怀疑抵触到不情不愿的接受了这个怪物,还给它起了黑洞,这么一个你听着很酷,但据说法国人听着有点龌龊的名字,这中间充满了各种有趣的争论和故事,那这个我们也得好好扒一扒,看看科学共同体是如何面对一个颠覆性概念的。
为了找到黑洞真实存在的证据天文学家们那可谓是穷尽了我们人类的智慧我会带你回到历史发现的现场我们会看看他们是怎么像福尔摩斯一样通过各种蛛丝马迹来追踪这些宇宙影视的比如有些恒星会莫名其妙地发出强烈的 X 射线就好像身边藏着个暴脾气
而有些星星呢他们在太空中跳着诡异的舞蹈就好像被一个看不见的舞伴带着转圈圈这些线索都指向了隐藏在幕后的神秘主使黑洞顺便呢我们也来聊聊咱们银河系中心那个大卫王是怎么暴露身份的那个过程啊也挺有意思充满了智慧和耐心的较量
当你觉得对黑洞有点概念了这时候请坐稳我们要进入更疯狂的物理世界了那个只进不出的世界世界到底是啥名堂它真的是一个物理存在的边界还是仅仅是一个数学上的概念那么掉进去真的会变成传说中的意大利面条吗黑洞能不能像宇宙哈哈镜一样把背景的星系扭曲变形
要是黑洞自己转起来它周围的时空会不会也跟着跳起华尔兹把路过的东西都卷进去呢还有科幻迷最关心的虫洞时间机器这些脑洞大开的东西它们跟黑洞到底有没有亲戚关系呢这些问题是不是想想都刺激你放心我会把这些奇景都一一呈现给你们让你们感受一下黑洞附近那些光怪陆离的物理世界
但讲到这里还没有完真正的大乱斗是当量子力学这个研究微观小不点的理论也来掺和黑洞的事那才叫一个鸡飞狗跳轮椅上的物理巨人霍金老爷子扔出了一个重磅炸弹他说黑洞并不是完全黑的它会因为量子效应而慢慢的蒸发掉
结果这下可捅了马蜂窝如果黑洞真的会蒸发消失那么之前被它吞进去的所有东西包括它携带的信息难道也会跟着灰飞烟灭了吗这个结论可把量子力学给惹毛了因为量子力学的基本原则之一就是信息永不丢失
广义相对论和量子力学这两大理论的根本矛盾算是彻底爆发了于是一场持续了几十年的黑洞战争爆发了物理学大佬们炒翻了天还打赌那么这场世纪之战到底谁赢了信息到底去了哪里这绝对是物理学史上最精彩最核心的悬案之一我们必须得好好聊聊
最后我们当然要回到现在来看看科学家们又有了什么新武器现在我们不仅能听到两个黑洞撞在一起发出的时空联一也就是引力波的声音甚至还能给黑洞拍照片了
这些最新的黑科技又让我们对黑洞有了哪些颠覆性的认识呢你放心这些最新的进展绝对会让你感叹人类智慧的伟大和宇宙的奇妙
我的老听众可能都知道我讲科学故事那可不光是要想告诉你是什么我更想跟你聊聊为什么和怎么知道的认识黑洞的过程就是一个特别典型的科学探索过程充满了曲折争论修正和突破
它不是某个天才灵光一闪就搞定的而是一代又一代科学家智慧的结晶它是无数次思想碰撞和实验验证的结果
在我的这个系列节目中,你会看到科学家们是怎么从观察现象出发,大胆地提出假设,怎么设计巧妙的实验或者进行复杂的计算去寻找证据,怎么在学术会议上互相辩论甚至吵架,怎么在一次次的失败和质疑中不断地调整方向,一步步逼近那个隐藏在重重迷雾后的真相。
这背后的科学精神就是那种不迷信权威的怀疑精神尊重证据的实证精神还有遵循逻辑的理性精神以及永不满足的好奇心和勇于探索的精神我觉得他们比记住几个黑洞的知识点更有价值也更能帮助我们在生活中做出更明智的判断好了说了那么多是不是已经掉足了你的胃口了是不是对这个宇宙中最黑最神秘的洞充满了好奇呢
在动笔写这个系列节目之前我看了很多很多跟黑洞有关的书其中有三本给我的印象最深刻也给了我最大的启发它们分别是马西亚·巴楚莎女士写的《黑洞简史》这本书把黑洞概念从诞生到被接受的曲折历史讲得是非常的引人入胜还有诺贝尔物理学奖得主基普索恩写的《黑洞与时间弯曲》这本书深入浅出地讲解了黑洞的各种奇异物理性质
还有一本是理论物理学家伦纳德·萨斯坎德写的《黑洞战争》这本书则生动地记录了围绕黑洞信息悖论展开的几十年科学论战我的这个系列节目的内容也主要参考了这三本优秀的著作当然它也结合了我自己的理解和表达方式如果听完我的节目不过瘾也推荐大家去看这三本书
黑洞这个宇宙中最极端的存在它像一面镜子映照出我们现有物理学理论的光辉也毫不留情地暴露了它们的裂痕它不仅仅是一个天体更是我们理解时间空间物质信息乃至现实本身的一道终极考题
当我们凝视黑洞这片时空的深渊时其实也是在凝视我们自身认知的边界那里是我们已知物理定律的崩溃之处是我们现有语言和想象力的失效之地它迫使我们去思考那些最根本的问题时空是什么物质的本质是什么信息的命运又将如何
探索黑洞就是探索物理学的极限就是追问宇宙最深刻的秘密这趟旅程注定充满了惊奇困惑甚至可能是对我们世界观的彻底颠覆
但正是这种探索本身这种面对终极问题的勇气和智慧才体现出了我们人类理性最耀眼的光芒我们不满足于已知世界的安逸永远对那片未知的黑暗充满好奇永远向着那看似遥不可及的好奇地平线勇敢地迈出下一步
这或许就是科学探索最迷人的地方也是我们作为智慧生命最值得骄傲的地方好了那下一节我们就正式启程回到牛顿时代去看看最早关于暗星的思想火花是如何在黑暗中悄然点亮的这里是科学有故事我们下期接着聊科学声音
不知道大家听完这期节目的序言有没有感觉到那个原汁原味的科学有故事系列节目又回归了确实我很久没有开长篇系列了原因我一再的说过因为我现在的主要精力都放在了拍科学电影上那你可能会问怎么突然又有时间给自己挖这么大一个坑呢
是这样的,今年上映的《寻觅自然时间的形状》讲的是狭义相对论那接下去当然就是要拍广义相对论的部分为了创作下一季讲广义相对论的《寻觅自然》的剧本我最近这半年几乎所有的碎片时间都在阅读跟广义相对论有关的书籍或者在视频网站上看广义相对论的课程比如北师大赵真老师的公开课
我自己是费曼学习法的拥吨我觉得真正要学好一门知识体系就是要通过不断的输出来督促自己的学习所以我就决定开这样一个黑洞史话系列主要的目的就是把我学过的东西给输出来在输出的过程中不仅加深印象还可以让我查漏补缺去弄懂原先一知半解的东西我每写一部寻觅自然的电影剧本差不多都要把跟这一部主题相关的知识给吃透
所以呢这个黑洞史话系列相当于就是在为寻觅自然的下一集剧本创作做功课这样一来不就实现了音频节目和科学电影两部物的美妙境界吗好了最后欢迎大家 5 月 3 号到福州 5 月 4 号到广东科学中心来跟我一起看寻觅自然欢度五一购票请到寻觅自然的微信公众号我们下期接着聊