黑洞磁场强度相当于自身万有引力


 发布时间:2021-01-21 13:42:29

科学家发现黑洞有许多奇怪的特性,比如连光都无法逃脱黑洞的引力控制,更不用说其他物体了。但是黑洞内部却又是何种景象呢,这个问题似乎很难回答,来自加州大学伯克利分校的科学家发现,黑洞内部也拥有鲜为人知的奥秘,热力学时间的箭头可能指向过去,这意味着黑洞内部似乎知道未来会发生什么。在广义相对论中,黑洞的事件视界无法被有限时间线上的任何一个观察者观测,其原因之一在于黑洞的属性,科学家提出了黑洞全息屏理论,虽然观察者无法在外部了解事件视界,但黑洞内部的却可能知道整个宇宙的命运。

黑洞全息屏理论的结论看上去非常有趣,我们可以从中得出未来和过去的信息。劳伦斯伯克利国家实验室的恩格尔哈特教授认为黑洞的全息屏从某种意义上看是强引力场的局部边界,如果这是未来的全息屏,那么对应的黑洞,如果这是过去的全息屏,对应的是白洞。在热力学的角度,时空也被认为是全息图,根据全息原理,其与给定区域内的表面积有关,也可进一步解释为热力学的时间方向。由于过去和将来的全息屏区域在不同的方向增加,因此时间的方向可以对应着两种不同类型的全息屏。在过去的全息屏中,时间的箭头指向前,比如我们现在所处的膨胀宇宙,包括了过去的全息屏,我们很自然地认为热力学的时间箭头是前进的。

反之,在将来的全息屏中,时间是倒退的。

MagR示意图 谢灿和他的学生 1.5亿年前就出现在这个淡蓝色星球上的蜜蜂,天生就是建筑师。不过当有人试着把磁铁放在旁边干扰时,它们搭建的蜂巢立马变成东倒西歪的“豆腐渣”。形态丑陋的裸鼹鼠终年生活在黑暗的地下,没有发育出视力,却依然逃脱不了地球磁场的掌控,它们打造的地下通道总是南北朝向。就连结构简单的细菌,有的也会在磁场作用下来回移动。最近,欧洲科学家还发现,当地球磁场稳定时,狗总是趴在南北朝向上排便,甚至还会极力避免头尾指向东西。可惜,此前所有试图一探究竟的人,都在磁场大网里变成了“路痴”。最近终于有人找到了方向。北京大学生命科学学院的年轻教授谢灿宣布,找到一种被命名为MagR的全新磁受体蛋白,研究成果发表于《自然-材料》。有人评论,这是一个“诺奖级别的发现”,这种蛋白“或将揭开被称为生物‘第六感’的磁觉之谜”。一个多月前,大名鼎鼎的《自然》杂志还为此发文祝贺。对科学家来说,诗是不够的 在放大了5万倍的显微镜下,黑色或淡黄色的MagR呈小棒槌形。在玻璃器皿下放一块磁铁,它会像上满劲的陀螺,滴溜溜地转圈。在磁场这个看不见摸不着的研究领域,这个长着棒槌模样的蛋白就是谢灿扎下的第一个坐标。

根据他的推断,这种蛋白是生物基因中的指南针,会根据地球磁场的变化为生物体指明方向。看起来简陋,但在很多时候,这种“蛋白指南针”信号的精准度令人难以想象。每年春天“第一缕阳光照射下来”时,墨西哥湾山谷的帝王蝶开始往北飞。第一代蝴蝶飞到美国南部,产卵、生子、死亡。孵化出的第二代继承前辈的遗志继续北飞,到达美国中部,产卵、生子、死亡。如此复制,一直到第四代,直接向南飞回墨西哥湾的同一个山谷,甚至回到祖先待过的同一棵树。“这个过程都可以写成诗了,但对科学家来说,诗是不够的。” 在北大一间10多平方米的办公室里,谢灿抿了一口咖啡说,“要打破美感,搞清楚科学原理。”鲜艳的帝王蝶标本摆放在一堆白茫茫的打印材料中,那是他钟意的一件装饰。谢灿老家在洞庭湖畔,家里屋檐下有个燕巢,每年燕子归来,“从不迷路”。他经常仰起脑袋看,还写成作文。他想不明白,人类看起来高明,为何往往在方向感上灰溜溜地败给动物。到北大任教的头3年,谢灿在校园里经常不辨东南西北,抓住学生就问,生科院大楼在哪儿。探索看不见摸不着的磁场,迷路更是常有的事儿。18世纪,奥地利精神病学家弗朗兹·麦斯麦提出,“生物体内拥有磁性液体”,一直被视为荒诞言论。

后来,从鱼的鼻子到鸟的喙,科学家在强大设备的帮助下探索了一个又一个动物器官,最终一无所获。还曾有人用巨大的LCD屏幕替代星空,观察鸟类会不会认准星星辨别方向。谢灿记得,曾经有一群科学家发表了几篇重磅论文,眼看就要证实鸟喙是感磁器官,却在几个月后被更有力的证据驳斥,发现只是一个误会。“每当生物体身上发现一个功能未明的组织,人们就会往磁场方面猜。”谢灿说,“磁场感应大家都感兴趣,同时又最难,生物科学发展至今,在这一领域,人们基本还一无所知。” 研究生涯开始时,谢灿也不敢贸然涉足这座迷宫。美国的导师点醒他,为什么不换点东西做。他干脆找了这个自己感兴趣的领域重新开始,“况且,我路痴这么多年,也想知道,自己到底缺了哪根筋。” 没有人,没有钱,没有参考文献,这项研究带着“九死一生”的意味 谢灿本就逼仄的办公室,堆满层层叠叠的材料。回国6年,他大部分时间都这里度过,磁受体蛋白的草图也在这里完成。屋内最显眼的摆设是墙角的咖啡杯,码了足足6层。谢灿曾拍下杯子照片发到朋友圈:“一篇文章从投稿到接受需要消耗的咖啡。” 这位身材瘦小的科学家记得,自己刚开始在生物体寻找传说中的磁受体蛋白时,有人觉得他疯了。

因为在当时的生物学界,尚没有任何证据表明,存在一种可以直接感应磁场的蛋白。关于动物为何能够感应磁场,学术界有两种说法,一种认为动物体内存在名为隐花色素的蛋白,可以感应光的变化,形成活跃的自由基。这些自由基能感受磁场的变化,迅速改变队形为生物导航。另一种理论干脆认为细胞内存在磁铁矿颗粒。在谢灿看来,它们都有不合理的地方。蛋白能仅仅通过光的照射就和磁场发生神秘的联系?细胞中无机的磁铁矿颗粒如何对有机的生物发出导航信号? 他想不明白,于是决定踩出一条新路。“如果我是上帝,为了赋予动物感磁的能力,我会怎么设计这种蛋白质构成的机器?”谢灿一边说,一边在笔记本上刷刷地画出实验开始前设计的草图。一个空心圆柱体出现在他笔下,在他最初的设想中,这个可能存在的蛋白应该是一个棍状结构,并且具有磁性,才能感应磁场变化。既然前人已经证实隐花色素与磁场感应有关,这种蛋白也肯定能和隐花色素结合或者发生作用。“在2012年以前,一切都只是想象。这个事情九死一生,很有可能什么都做不出来。”谢灿停顿了一下说,“但有句话我印象挺深,想象力比正确性更重要。” 项目从2010年已经开始,但在第一年里,几乎只有谢灿在读文献、思考、原地打转。

除了启动时向时任生命科学院院长的饶毅“拼命磨嘴皮子”要到一笔资金,这项研究没得到什么资助。直到2011年第一个草图画出来,才有第一个博士生加入。按图索骥的地毯式搜索开始了。通过计算机对果蝇DNA的筛查,14种长相可疑的基因从12536种基因中浮现出来。接着要用已知蛋白结构的隐花色素来“指认”,找出最终的“候选人”。“几乎没有任何参考文献,我们根本不知道会得到什么结果,即使有结果,也不知道意味着什么,不知道下一步怎么走。”谢灿回想道。直到今天,这位科学家依然记得那一天,实验室的凝胶上清晰地显示出两条感光和感磁的条带,而他假想的磁受体MagR和感光的隐花色素结合,终于在现实中得到了验证。这粒微小的蛋白,引起了学界的剧烈震动 为了捞出这粒微尘一样的蛋白,41岁的谢灿觉得自己“老了20岁”。“设备没有现成的,很多是淘宝买来的原材料和配件。”要检验首次发现的MagR蛋白的磁性,连石头都没得摸。同学用木头架子搭了一个两层的玻璃器皿,才让蛋白在磁铁的指挥下开始跳舞。实验室隔壁,在文献材料和书本淹没的办公室,谢灿见缝插针地塞进各种装饰品,有碧绿的球兰、江南淘来的珍珠贝,还有一个内壁贴着香槟木树皮的玻璃箱,那是尚未完工的两栖动物养殖缸。

2012年以前,谢灿几乎很少跟人提起这项研究,因为总有人问:“你这个研究出口在哪,应用在哪。” “好像如果不能用,你做的东西就毫无意义。”谢灿语速极快地说,“从学生到导师,已经没人把好奇心当回事了。弄明白,就是最有用的事情。” 最终,人们眼看着谢灿发现的小不点蛋白,引起学界巨大震动。“当我看到这篇文章的时候,差点窒息,它的确是一项具有创造性的研究。”麻省大学神经生物学教授史蒂文·瑞波特充满赞赏地表示,“结论令人振奋,具有突破性”。文章发表不到一小时,已经引起超过20家国际媒体的报道。到目前为止,《自然》杂志、BBC、科学美国人、英国卫报等200多家国外主流媒体以多种文字进行报道和跟踪。其中还包括专注于电子产品的科技网站。“可能觉得这种生物指南针结构,在电子领域也能带来一些革新。”谢灿带着自豪说。就在几天前,他还在朋友圈转发了一条磁铁告急的新闻,并戏谑地表示实验室准备开店,缓解磁铁不够用的业界危机。“客官,您要多少克磁铁,有固体的,液体的,还有多种口味供您选择,蝴蝶味儿的您喜欢吗?” 并非人人都看好谢灿踩出来的这条路。维也纳分子病理学研究所神经科学家大卫·基斯在接受《自然》杂志采访时就说:“它要么是一篇非常重要的论文,要么完全错误。

我强烈怀疑是后者。” 基斯不相信,只有超微量铁的MagR会有磁性能。如果MagR真的是磁感应受体,“我就把自己的帽子吃掉。” “这挺正常,并不是科学家之间有矛盾。这种争论时刻对某个领域的推动作用反而特别大。”谢灿一点儿也不介意。按照计划,2016年,谢灿将赴德参加由“激烈反对派”基斯做主席的会议,并作报告。2017年初,基斯则会来北大拜访谢灿的实验室。他们的赌约不变。像江湖高手对决一般,两人约定10年为期。如果证明谢灿是对的,基斯就真的吃掉帽子。“打个赌挺好。”谢灿微笑着说,“至少人们不会认为科学家都那么无趣了吧。”。

黑洞 磁场 磁场强度

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