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“假如霍金活着,他很可能拿今年诺奖”,专家解读2020诺贝尔物理学奖
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来源:上观新闻 作者:俞陶然 徐瑞哲 2020-10-06 20:54
摘要:“写《时间简史》的霍金和彭罗斯是同一领域的哥们儿,霍金对黑洞的研究成就不亚于彭罗斯。”

2020年诺贝尔物理学奖今天揭晓,牛津大学教授罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)、加州大学伯克利分校马普地外物理研究所教授雷哈德·甘泽尔(Reinhard Genzel)和加州大学洛杉矶分校安德里亚·格兹(Andrea Ghez)荣膺桂冠。其中,研究黑洞的理论物理学家彭罗斯获得一半奖金,另两位观测、计算出银河系中心超大质量黑洞的天体物理学家分享另一半奖金。

黑洞堪称宇宙中最神秘的天体,这三位科学家如何增进了人类对黑洞的认识?解放日报·上观新闻记者第一时间采访了上海的科学家和科普作家。

人类无法直接观测黑洞

著名科普作家、中科院国家天文台客座研究员卞毓麟介绍,黑洞是科学家根据广义相对论做出的一个重要推测,1969年由美国物理学家约翰·惠勒命名。这个推测已被天文学观测证实。也就是说,黑洞是真实存在的,是宇宙中的一种天体。

之所以称其为“黑洞”,是因为无法用光或其他形式的电磁波观测它,任何发射到黑洞的光都会被吸收,而不会反射回来。这是什么原因呢?让我们从地球引力讲起。人在地面上向天空抛射一个物体,无论用多大力,物体速度有多快,总会掉落下来,这就是引力的作用。然而,当一个物体(如航天器)的飞行速度达到11.2公里/秒,就可以摆脱地球引力的束缚,飞离地球进入行星际空间。这个脱离地球引力场的最小速度称为“第二宇宙速度”,也称“逃逸速度”。每个天体的“逃逸速度”是不同的,如太阳的逃逸速度约为618公里/秒。

那么黑洞的逃逸速度是多少呢?答案是:大于光速。宇宙中光速最快,这意味着,包括光在内的任何物质和辐射只要进入黑洞的“视界”(引力场的一个封闭边界),都无法逃脱它的“魔爪”。因此,黑洞“黑”到了极致,人类无法直接观测。

然而,黑洞的存在有其蛛丝马迹。一种迹象,是附近星球的运行轨迹异常。因为黑洞的引力惊人,在其“视界”外附近的星球,势必受到明显影响。第二种迹象,是强烈的X射线源。宇宙中遍布气体、尘埃等星际物质,它们在即将进入黑洞“视界”时,会发出强烈的X 射线。

彭罗斯更像是一位数学家

“写《时间简史》的霍金和彭罗斯是同一领域的哥们儿,霍金对黑洞的研究成就不亚于彭罗斯。”在华东师范大学物理与电子科学学院院长、英国物理学会会士程亚教授看来,如果2018年去世的霍金,等到了2019年公布的人类历史上首张黑洞照片,那么2020年诺贝尔物理学奖,就很可能与彭罗斯分享这一殊荣。

2019年公布的人类历史上首张黑洞照片  新华社发

程亚告诉记者,从2017年宇宙中的引力波获奖开始,2019年的诺贝尔物理学奖也属于天文,科学界预测今年诺奖不会再给天文学家。因为,连年为同一领域发奖,在其他学科的诺奖中是非常少见的。然而,一些足够新奇、足够震撼的科学事件,总会打破“风水轮流转”的颁奖规律,让理论物理学家“不必久等”。比如,同样被爱因斯坦广义相对论预言的引力波,多年之后被激光干涉引力波天文台实测到,就直接将其送上了领奖台。同样,追溯至20世纪50年代,李政道、杨振宁提出宇称不守恒理论不久,便很快被吴健雄用物理实验验证成功,于是也成就李、杨二人在而立之年就拿下了当年的诺奖,也创造了从理论发现到获颁诺奖的最短时间纪录之一。

这一次,这种诺奖的“决定性证据”,正是去年各国科学家通过相当于地球口径的超级射电望远镜,以“昆虫万千复眼”的方式合成出遥远黑洞的可见照片,这才让人类真真切切地“看见”黑洞。彭罗斯,霍金等黑洞学家,等得太久。半个多世纪后,89岁高龄的彭罗斯才亲见自己的理论证明化为实践证据。

程亚告诉记者,彭罗斯更像是一位数学家,他为多解的广义相对论方程求解。这个足以颠覆世界观的方程式,被众多数理学家演绎和推导,从各种参数到各式系数,设定方程的不同变量,将得出不同的解,也就是关于宇宙的不同认知。20世纪60年代,彭罗斯在宏观理论基础上,充满逻辑而又精准地解出了一个与黑洞关联的物理世界,如诺贝尔颁奖词所言,“发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测”。

破解难题计算出黑洞质量

中科院上海天文台副台长袁峰研究员是黑洞天体物理学家,参与了人类首张黑洞照片的捕获工作。“我和甘泽尔、格兹算是小同行,他俩是做黑洞观测的,我是做黑洞理论研究的。”袁峰告诉记者,十多年前,德国人甘泽尔和美国人格兹领导各自团队,利用主动光学技术,分别观测到了银河系中心的超大质量黑洞,并计算出了它的质量——约为太阳质量的400万倍。这是人类历史上第一次获得星系中心存在超大质量黑洞的确切证据,堪称黑洞研究的一个里程碑。

黑洞可分为三类。微型黑洞由于尺度小、稳定性差,难以观测。稳定黑洞分为恒星级黑洞和超大质量黑洞。前者的质量一般是太阳质量的几倍至几十倍,后者的质量高达太阳的几十万至几十亿倍。天体物理学家推测,每个星系的中心都存在一个超大质量黑洞。但如何观测到它们,一直是个难题。

由于黑洞“黑”到了极致,人类无法直接观测,而是要用各种间接观测方法。甘泽尔和格兹采用的间接观测方法都是通过大口径光学望远镜,观测银河系中心区域恒星的运行轨迹。因为黑洞引力惊人,在其“视界”外附近的恒星,其运行轨迹会受到明显影响。

这种观测方法的最大难点,是地球的大气层始终有不稳定的运动,宇宙远处的光线传到地球上时,形成的光学图像会因为大气层的干扰而变得模糊,这被称为“湍流效应”。为此,甘泽尔和格兹都利用主动光学技术,成功消除了这种效应,从而观测到银河系中心区域恒星的精准轨迹。获得轨迹数据后,他们就根据开普勒定律计算出了银心黑洞的质量。随着这个质量相当于400万个太阳的“巨无霸”天体现身,人类对黑洞乃至整个宇宙的探索又迈出了重要一步。

栏目主编:黄海华 文字编辑:俞陶然 题图来源:诺贝尔奖官网
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