来了!黑洞手工和亲子游戏,这么学知识的孩子太酷了!

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这两天,人类首张黑洞照片在朋友圏疯狂刷屏。这大概是世界上最兼具专业深度和大众热度的科学名词吧~

来了!黑洞手工和亲子游戏,这么学知识的孩子太酷了!

对于它的到来,人们已经期待的太久太久:从黑洞学说刚开始饱受质疑,到事实基础逐渐坚实,这一次,它证明了爱因斯坦一百多年前提出的广义相对论!

人们曾无数次想象它的模样,如今黑洞的首张照片告诉我们,电影《星际穿越》只猜对了一半!而这样的靓照有多难拍?全球八台望远镜共同合作一起给黑洞拍了张照......

来了!黑洞手工和亲子游戏,这么学知识的孩子太酷了!

如何把这样的科学热情传递给孩子?如何向小朋友科普“黑洞”和相关的天文物理知识?

在小朋友的童年,都有一个“天文敏感期”,开始能感受到一些真实却又充满想象的东西,那正是天文宇宙科学。今天,一起用小游戏和手工,带小朋友一起走进“黑洞”探秘,了解浩瀚的宇宙和无尽的科学。

 

一.  三个概念,搞懂“黑洞”

 

1. 重力

重力,是两个物体之间的引力。所有有质量(重量)的物体都有重力,引力就像磁铁一样把物体拉到一起。地球有重力,这就是为什么所有东西都离地球很近,即使它是圆的。树木、水、动物、建筑物和我们呼吸的空气都是由重力保持在这里的。宇宙中的所有行星、恒星和卫星都有引力。

我们可以通过一些小活动,让小朋友感受地球引力,即重力的存在。蹦床上的蹦跳,失去平衡的摔倒,倒水,抛球等等,都是由于引力的作用,我们和物体,才不会漂浮,而是落在地上。

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2. 空间

什么是空间?空间由三个维度组成(上下、左右和前后),如果加上第四个维度时间,就得到了所谓的时空连续体......

对于小朋友来说,这样的解释似乎有点难懂。可以引导小朋友想象一下,假如我们要和某个小朋友见面,你需要知道在哪个地点(即空间中的某个地方)与他们见面,但你也需要知道在哪个时间,这就是包含和时间的空间概念。

爱因斯坦是第一个在他的《广义相对论》中提出“空间结构”(时空)概念的人。爱因斯坦是这样比喻空间的:我们并非被容纳在一个无形固定的手脚架里,我们是在一个巨大的、活动的软体动物内部。想象一下,我们的空间其实是一个无形的渔网,重的东西,比如星体落在上面,它就会凹陷下去,越重的物体凹陷越深。

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在科普书籍《现实不似你所见》里,作者是这样说的:“巨大质量附近的空间会弯曲,而且时间也会。“

也就是说,弯曲的不仅仅是空间,而是时空。时间并非是三维世界里的自变量。它不是静止的,它会因为距离相对的物体的远近而收缩。

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那么,空间和引力又是什么关系呢?爱因斯坦的理论之前,人们认为引力是一种力,这是由牛顿所解释的。但是,爱因斯坦的广义相对论将引力解释为“时空的曲率”。这个概念可以通过把时空想象成一个橡胶板来描述。橡胶板上的球使周围的橡胶板弯曲,类似于物质弯曲时空的方式。

3. 黑洞

我们终于可以请出今天大主角的“黑洞”同学啦!

黑洞也是星体的一种,是空间中的一个区域,那里的引力非常强,任何进入黑洞的物体都无法逃逸,甚至光也无法逃逸!

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黑洞是怎么形成的呢?黑洞原本是一个可以看得见的巨大恒星,所有的恒星都是核聚变反应炉,核聚变过程提供了恒星一生的大部分能量。不过,最终,核燃料耗尽,由中心产生的能量再也无力对抗外壳巨大的重量,引力开始起主宰作用,恒星就会因自身重量而坍缩。由于重量太大,物质会被压缩到极致,空间极度弯曲成一个洞,黑洞由此产生。前提条件是,这个恒星真的很大,位于我们星系中心的黑洞,质量是太阳的一百万倍,否则它会坍缩成其他星体,比如白矮星。

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如果我们想要近距离观察黑洞,开一艘火箭停在刚刚不会被黑洞吞没的地方,这就叫做“视界”。我们极力靠近“视界”,还要不被吞没,所以要做的就是不停地让火箭燃烧,以抵掉黑洞巨大的引力。

前面说过,时空是弯曲的,如同一个渔网,越重的东西弯曲的越厉害,黑洞就是属于非常重的东西。它狠狠地弯曲了自己周围的时空,以致周围的时间变得非常缓慢。

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足够大的恒星变成黑洞,其密度在某一点达到无穷大,这就是所谓的“奇点”,它体积无限小,密度无限大,引力无限大,时空曲率无限大,任何已知的物理定律都无法适用。

如果我们穿过视界,越来越靠近奇点,你就会被拉长,像长长的面条,最后消失于奇点。

所以,现在我们已经了解了黑洞,它由三部分组成:奇点(坍缩的恒星)、“内视界”(奇点周围没有任何东西,甚至光都无法逃脱的区域)和“外视界”(物体仍能感受到黑洞的引力,但不会被困住)。

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黑洞形成后,它可以通过吸收周围的物质,如其他恒星和其他黑洞的质量,继续增长。如果一个黑洞吸收了足够的物质,增长到超过一百万太阳质量,它就会变成一个“超大质量黑洞”。人们相信超大质量黑洞存在于大多数星系的中心,包括银河系。

二.  游戏和手工,感知“黑洞”的神奇

 

黑洞游戏

通过动手实践和实物互动,能够很直观而形象地帮小朋友们理解前边介绍的黑洞、引力和时空等重要天文概念。

我们用身边唾手可得的材料,可以建立一个大质量物体周围空间曲率的物理模型(是不是很高大上?);利用这个模型,引导小朋友动手实验和观察,一个物体通过重力井时会发生什么,如果它的速度不够高或者重力井太深时,对小质量物体有何种影响?

需要的材料:具有轻弹性的绷带,几个重量、大小不同的球。

剪出一个40×40厘米的弹性绷带。让几个小朋友水平拉伸绷带,直到它绷紧,代表二维的“空间”。注意,小朋友一定保持绷带不动,这样他们的动作才不会影响实验。把一颗小球放在绷带上,让它滚过绷带表面,小球的路径应该是一条直线,类似于一束光穿过空间的路径。

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接下来,再换成更重一些的球,这时,小朋友会看到如何变形的“空间”结构,是的,“空间”在重物的影响下,周围开始弯曲。

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让一个小弹珠滚近重物,它的轨迹现在应该被绷带的变形所改变。这类似于光通过一个巨大的物体时发生的情况,这个物体会使周围的空间变形。试着改变弹珠的速度,看看它的路径是如何变化的。

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中心区域越集中(即大球越重),绷带就会越弯曲。这增加了“重力井”的深度,小弹珠将无法从中逃脱。

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当弹珠靠近大球时,它开始围绕“黑洞”旋转,最终落入黑洞。一旦它在那里,你就能看到物体是如何轻易地落入黑洞而又无法再出来的。这就是黑洞所发生的情况:它们的重力使空间变形,以致于光或其他物体落入黑洞而无法逃逸。 

黑洞手工

在一个直径25厘米的圆形上,剪出一个直线,并剪出一个圆心小洞。

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将剪开的半径粘好,并让这个圆,略成漏斗形。

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这个漏斗就是一个黑洞模拟,放置在一个纸杯上;找一些磁力珠放在纸漏斗边缘,观察小珠的运动轨迹。

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小朋友们会看到,小珠沿着漏斗黑洞,以椭圆形的轨迹滚入黑洞,而越接近中心,速度越快,这正是黑洞”吸食“周边物质的模型。

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当黑洞把物质吸进来时,正像这个手工所呈现的,物质在黑洞周围形成一个圆盘。当圆盘旋转得越来越快时,它会升温到极端温度,导致大量的光和物质,以令人眼花缭乱的喷流形式发射到太空中。如果它们指向我们,这些喷射流非常明亮,很容易被我们地球上的望远镜捕捉到,否则,由于黑洞不发出任何光,它们是不能以通常的方式被观测到的。而对于那些没有“进食”的黑洞,探测它们的一种方法是观察恒星围绕黑洞的运动。

搞懂了”黑洞“的原理,小朋友们可以使用各种材料来重现黑洞,以自己的方式解释其中的概念和规律。看,这是科罗拉多州的达里恩·奥布莱恩天文俱乐部,在天文日的黑洞活动,小朋友们非常着迷。

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本文转自公众号:创意盒子touchbox

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