「黑洞」贏了,霍金的戰友們捧回了今年的諾貝爾物理學獎

摘要

四年三中,你有你的選擇,而諾貝爾物理學獎選擇天體物理學。

10 月 6 日,2020 年諾貝爾物理學獎揭曉,羅杰·彭羅斯(Roger Penrose),萊因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)和安德里亞·格茲(Andrea Ghez)摘得此項榮譽,羅杰·彭羅斯「獨享」一半的獎金。他們的科研成果都與「宇宙最黑暗的秘密」——黑洞相關。

羅杰·彭羅斯用數學方法證明了黑洞是廣義相對論的直接結果。萊因哈德·根澤爾和安德里亞·格茲兩人各自都在銀河系中心發現了一個超大質量的致密天體。值得一提的是,格茲是有史以來第四位獲得諾貝爾物理學獎的女性。

不少關注諾獎的專家學者發現物理學獎的獲獎領域越來越集中在天體物理學、粒子物理學、原子分子及光物理學和凝聚態物理學。從 2015-2019 年,獲獎的領域分別是粒子物理學、凝聚態物理學、天體物理學、原子分子及光物理學和天體物理學。從「規律」來看,大多數人認為今年獎項「又雙叒」頒給天體物理學有些意外。

北京時間 2019 年 4 月 10 日,人類首張黑洞照片面世,這是人類獲得關于黑洞的第一個直接視覺證據,證實了愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立。

該黑洞位于室女座一個巨橢圓星系 M87 的中心,距離地球 5500 萬光年,質量約為太陽的 65 億倍。它的核心區域存在一個陰影,周圍環繞一個新月狀光環。

18 世紀末,英國哲學家、數學家約翰 · 米歇爾論斷存在比太陽更大質量的天體,連光速都不足以逃離它們的引力,所以人類無法預測到它。1916 年,愛因斯坦發表了廣義相對論。德國天文學家和物理學家卡爾·施瓦茨席爾德提出了愛因斯坦引力場方程的第一個嚴格解,推算出了施瓦茨席爾德半徑,即物體坍縮成黑洞的閾限值。

直到 20 世紀 60 年代,這些解都被認為是純粹的理論推測,即恒星和黑洞呈正球體和完全對稱的理想狀態。然而愛因斯坦本人并不相信黑洞的存在。

1965 年,在愛因斯坦去世 10 年之后,彭羅斯證明,只要時空中存在二維的俘獲面(trapped surface),奇點就不可避免地形成,一個俘獲面會迫使所有光線指向一個中心,不管表面是向外還是向內彎曲。利用俘獲面,彭羅斯證明黑洞總是隱藏著一個奇點,即一個時間和空間的邊界,也就是說在那里,所有已知的自然法則都停止了。一旦物質開始坍縮并形成俘獲面,坍縮就再也沒有可能停止。

不少學者認為,彭羅斯的開創性論文是愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻。1970 年,霍金和彭羅斯共同發表論文提出,如果廣義相對論(以及其他幾個數學條件)是正確的, 那么在宇宙大爆炸必然是從一個奇點開始的。

盡管看不到黑洞內部,但是我們可以觀察到黑洞巨大的引力如何牽引著周圍恒星運動。根澤爾和格茲的功勞就在于此。

一百年前,美國天文學家 Harlow Shapley 確定了銀河系的中心——人馬座的方向。天文學家發現那里有強大的無線電波,他們將源頭稱為「人馬座 A*」。等到二十世紀六十年代末,人們明確發現人馬座 A * 占據了銀河系中心,銀河系內的所有恒星都圍繞其運行。

但一直到二十世紀九十年代,我們才有了更大的望遠鏡和更好的設備,可以對人馬座 A * 進行更為系統的研究。根澤爾和格茲分別啟動了各自的項目,試圖透過厚厚的塵埃云觀察銀河系的中心。兩個的研究團隊開發和完善各自的技術,構建特殊的儀器致力于長期的研究。

學者發現恒星在中心到一個光月的半徑距離內移動地最快,此區域外的恒星呈現更為有序的橢圓運動。一顆名為 S2 的恒星在不到 16 年的時間內就轉了一圈,而太陽要花 2 億多年。兩組的觀測走向一致,在銀河系中心隱藏著一個看不見的超大質量物體,在不超過太陽系的空間中聚集了約 400 萬個太陽的質量,使周邊恒星急速旋轉。黑洞是唯一可能的解釋。


彭羅斯指出黑洞是廣義相對論的直接結果,但在奇點的無限強引力下,這個理論就不再適用了。未來理論物理學領域必須把物理學的兩大支柱——相對論和量子力學結合在一起,而這兩者正好在黑洞的最深處交匯。

用一句簡單的話解釋,三位獲獎者分別在理論和實踐層面讓我們對黑洞有了更加深入的認知。2020 年當世界都在被新冠疫情「肆虐」,頒獎現場有位記者提出了一個非?!笐啊沟膯栴},這些發現如何改變地球上人類的生活?格茲說道,這是一個非常宏觀的研究,你也不知道對人類世界會有什么影響,但是這是人類知識的進步,對我們理解物質世界和宇宙的建立有重要意義。


獲獎者簡介:

羅杰·彭羅斯出生于 1931 年 8 月 8 日,1965 年他以著名論文《引力坍塌和時空奇點》為代表的一系列論文,和著名數學物理學家斯蒂芬. 霍金一起創立了現代宇宙論的數學結構理論。1975 年,與史蒂芬·霍金一起被授予倫敦皇家天文學會艾丁頓獎。1994 年,被伊利莎白二世封為爵士。

萊因哈德·根澤爾 1952 年出生于德國法蘭克福,現任慕尼黑馬克斯-普朗克太空物理學研究所所長,美國加利福尼亞大學伯克利分校物理系教授,慕尼黑大學名譽教授。

安德里亞·格茲 1965 年生于美國紐約市,現為美國加利福尼亞大學洛杉磯分校教授,格茲是迄今第四位獲諾貝爾物理學獎的女性科學家。


題圖來源:諾貝爾獎委員會

責任編輯:于本一

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