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美国科学院院士Sergiu Klainerman南科大讲堂精彩剖析

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美国科学院院士Sergiu Klainerman南科大讲堂精彩剖析

2017年5月10日,美国科学院院士、普林斯顿大学教授Sergiu Klainerman做客第114期南科大讲堂,在图书馆110给我校师生带来题为Are black hole real?的报告。讲座由我校副校长汤涛主持。

霍金在最后一本著作《十问》中曾写道,“据说事实有时候比小说更奇怪,黑洞最能真实地体现这一点,它比科幻作家梦想的任何东西都更奇怪”。

美洲杯足球彩票 1报告会现场

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Sergiu Klainerman因对双曲线偏微分方程和广义相对论的贡献而闻名。他1950年出生在罗马尼亚布加勒斯特,1980年在纽约大学获得博士学位,1987年至今一直担任普林斯顿全职教授。他是美国科学院院士,法国科学院外籍成员,美国艺术与科学学院研究员。1995年被任命为麦克阿瑟研究员,1997年被任命为古根海姆研究员,1999年因为对非线性双曲线方程的贡献,被美国数学学会授予博赞纪念奖,现在还是数学期刊《Mathématiquesde》出版社的总编辑。

黑洞最初只存在于牛顿万有引力定律和爱因斯坦广义相对论的公式和方程中,它太奇特,以至于最初“预见”它的人都不相信黑洞真的存在。但黑洞的诡异、神秘也让一代代科学家为之痴迷。直到2015年,首次探测到的引力波为黑洞的存在提供了具体证据。

美洲杯足球彩票 3Sergiu Klainerman作报告

而今,科学家们更进一步,关于黑洞的第一张特写照片即将在周三公布!在焦急等待的这段时间里,我们把视线拉回,一起回顾人类追寻、探究黑洞的不凡之路。

SergiuKlainerman教授先为大家讲解了理解爱因斯坦场方程所需要的基础知识,包括度规张量,闵可夫斯基空间,流形,曲率张量,里奇张量,爱因斯坦场方程等物理知识。之后,SergiuKlainerman教授提到了2016年初的重大科学事件引力波的发现,他说引力波的来源是两个黑洞的合并,并由此谈到爱因斯坦场方程预言下的一种带有角动量的黑洞克尔黑洞,并在以该黑洞为例讲解自己认为的黑洞的终态存在需要满足的条件:1.初始的小的数据会逐渐的衰减,在微扰下是引力波,强大以后就是黑洞。这保证了闵可夫斯基空间的稳定性,也是引力波存在的原因。2.大的初始值可能会产生稳定解,例如黑洞。3.所有的稳态都是克尔解。4.克尔解是稳定的。5.黑洞之外没有奇点。6.黑洞存在问题其实是一个两体或者多体问题。然而现在只有第一条是部分可以被证实被理解的,剩余五条目前还是推理猜测,等待后人去解决。

初识黑洞

SergiuKlainerman在通过熟练严谨的推理演算后,告诉听众:克尔黑洞能不能经受微扰以及克尔解为什么是稳定的等这6个原因是很复杂的数学问题,目前还不很清楚,所以黑洞到底有没有存疑。他表示,他会一直研究下去,并且鼓励年轻人继续探索这个伟大的问题。

思想游戏中“荒诞”的“暗星”

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人类发现黑洞的历史可以追溯到18世纪末。1783年,在万有引力定律提出一百年后,牛顿的“小校友”约翰·米歇尔首次提出,可能存在比太阳更大的恒星,其质量大到逃逸速度超过光速,光都被这种恒星的引力拽回去,无法逃脱。这位剑桥学监为想象中能够“吸光”的大恒星起了名字,将其形象地称作“暗星”。

报告最后,Sergiu Klainerman教授认真回答了大家提出的问题。

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文字:唐婕

1795年,法国科学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯在著作《世界系统》中表达了类似的观点,提出存在光都无法逃逸的天体,也即“暗星”概念。拉普拉斯根据牛顿引力理论计算出,如果物体的半径被压缩到足够小,它的逃逸速度将超过光速。

图片:沈悰

但非常有趣的是,拉普拉斯在此书的第三版和以后的版本中再也不提此事了,或许他自己都觉得这个想法过于荒诞,只能作为思想游戏,现实中并不存在。随着拉普拉斯对此保持沉默,关于“荒诞暗星”的想法也被忽略了,一直到20世纪初。

预见黑洞

爱因斯坦方程的推理结果

1907年,德国哥廷根大学的数学教授闵可夫斯基首次提出严密的四维时空几何结构,将一直以来被认为是独立的时间和空间以几何的形式结合到一起,为广义相对论的建立提供了框架。

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1915年,经常翘闵可夫斯基课的爱因斯坦,在狭义相对论和四维时空几何基础上,提出真正“预见”黑洞的广义相对论。在科学院的演讲中,爱因斯坦讲述的观点颠覆了此前人类的宇宙观:我们栖息在一个名为“时空”的四维现实里,它随着物质能量的变化而发生着波动。

爱因斯坦将他的神奇创见集中展示在几个核心方程中,即爱因斯坦场方程。通过这些方程,可以直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。

丈量黑洞

史瓦西的天才贡献

由于算法原因,爱因斯坦场方程在最初发布时只有近似解,爱因斯坦本人对此也无能为力。公布后仅仅过了20天,爱因斯坦便收到一封来自德军东线阵地的来信,一位名叫卡尔·史瓦西的炮兵中尉在炮火连天的一战前线给出了这个方程的精确解,他在战壕里解决了这项世界级物理难题。

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