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The Mind-Bending Math Inside Black Holes
2024/12/17
NASA's Curious Universe
J
Jacob Pinner
R
Ronald Gamble
Ronald Gamble: 我是一位NASA的理论天体物理学家，我的日常工作就是运用数学和计算机代码模拟黑洞周围的物理现象。黑洞是时空区域，引力极强，任何物质和光都无法逃逸。虽然我们对黑洞的了解还很有限，但通过观测数据和理论研究，我们不断学习和探索。我目前的研究重点是模拟高能粒子在黑洞周围的运动和喷射过程，这需要结合等离子体物理学、数值微积分和观测数据。黑洞本身其实很简单，只需要几个数字就能描述其基本特性（质量、自旋、事件视界的面积和电荷）。我们通过数学建模来补充观测数据，并不断发现黑洞的新特性。我最喜欢的两个黑洞是M87（行为良好的黑洞）和TSX0506+056（高能耀变体）。霍金辐射是一种量子效应，它描述了黑洞的热力学性质，并可能导致黑洞最终蒸发，但这个过程需要极其漫长的时间。宇宙中的磁场起源是一个未解之谜，需要从更基本的物理规律（四种基本力）来研究。艺术创作帮助我更好地理解和可视化复杂的科学概念，艺术才能使我成为更好的科学家，因为它培养了我的创造力和解决问题的能力。作为一名理论物理学家，我需要以创造性的方式来描述物理学，将现有的数学和物理知识组合起来，就像用乐高积木搭建模型一样。导师工作对我来说很重要，因为我希望为学生提供我年轻时所缺乏的指导和支持。想要在天体物理学领域取得成功，需要坚持不懈，保持韧性，并克服自我怀疑。
Jacob Pinner: 黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，它们距离遥远，光线无法逃逸，这给研究带来了巨大挑战。但是，我们可以通过观测数据（例如，观察黑洞周围物质的行为以及它们发出的X射线和无线电波）和理论研究（运用数学和物理学）来了解黑洞。宇宙中存在各种大小的黑洞，包括位于银河系中心的超大质量黑洞。当我们接近黑洞时，会经历奇特的现象，例如，我们可能会经过一个无法返回的点，并最终被黑洞的引力撕裂成面条状（意大利面化）。接近黑洞时，观察者会看到我们逐渐冻结在事件视界边缘，这是因为我们发出的光会停止。黑洞吞噬的物质实际上都是带磁性的等离子体，因为带电粒子在轨道运动中会产生磁场。黑洞并非漏斗状，而是球形或略扁的球体。星星和行星可以绕黑洞运行，就像月球绕地球运行一样，它们拥有足够的角动量来维持轨道，但最终会被黑洞的引力撕裂并吞噬。为了克服研究宇宙的挑战，我们需要发挥创造力，建造先进的望远镜和观测设备，并培养更多年轻科学家参与研究。
Deep Dive
This chapter explores the hypothetical experience of approaching and entering a black hole, discussing phenomena like spaghettification and the point of no return. It highlights the extreme gravitational forces and the unknown nature of the singularity.
- Description of approaching a black hole in a spaceship.
- Explanation of spaghettification.
- Discussion of the event horizon and infinite redshift surface.
- The unknown nature of what happens inside a black hole.
Shownotes Transcript