2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
——黑洞“吸納”全部獎(jiǎng)金

◇ 北京 郭 紅

北京時(shí)間2020年10月6日下午6點(diǎn)左右,諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評選結(jié)果揭曉:三位科學(xué)家因?yàn)樗麄儗τ钪嬷凶钇娈惖默F(xiàn)象之一——黑洞而分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).其中一半獎(jiǎng)金被授予英國科學(xué)家羅杰·彭羅斯(RogerPenrose),他用巧妙的數(shù)學(xué)方法證明了黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結(jié)果,證明了廣義相對論星云導(dǎo)致了黑洞的形成.另一半獎(jiǎng)金被授予德國科學(xué)家萊因哈德·根澤爾(ReinhardGenzel)和美國科學(xué)家安德里亞·格茲(AndreaGhez),他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不可見且極其重的物體控制著銀河系中心恒星的運(yùn)行軌道,也就是一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞.

羅杰·彭羅斯是英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家、科學(xué)哲學(xué)家,牛津大學(xué)數(shù)學(xué)榮譽(yù)退休教授,牛津沃德姆學(xué)院榮譽(yù)研究員,劍橋圣約翰學(xué)院榮譽(yù)研究員.彭羅斯對廣義相對論和宇宙學(xué)的數(shù)學(xué)物理學(xué)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn).他曾獲得多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng),包括1988年因與斯蒂芬·霍金共同得出彭羅斯霍金奇點(diǎn)理論榮獲沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng).

萊因哈德·根澤爾是德國科學(xué)家,研究領(lǐng)域?yàn)榧t外和亞毫米波射電天文學(xué),他和他的團(tuán)隊(duì)積極開發(fā)用于天文學(xué)研究的一些地面和空基儀器.他們最先在銀河系中心追蹤恒星運(yùn)動(dòng)的星團(tuán)(人馬座A?),并表明它們正在繞著非常大的物體運(yùn)行,該物體可能是黑洞.此外,他還活躍在對于銀河系的形成和演化的研究領(lǐng)域中.

安德里亞·格茲是美國天文學(xué)家,也是加州大學(xué)洛杉磯分校物理與天文學(xué)系的教授.截至2020年,共有4名女性科學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).2004年,《發(fā)現(xiàn)》雜志將格茲列為美國20大科學(xué)家之一.同年,格茲當(dāng)選為美國國家科學(xué)院院士,2019年,當(dāng)選為美國物理學(xué)會(huì)(APS)院士.格茲目前的研究涉及高空間分辨率成像技術(shù),如自適應(yīng)光學(xué)凱克望遠(yuǎn)鏡,以研究恒星形成區(qū)和位于銀河系中心的人馬座A?黑洞.通過在紅外波長對銀河系中心成像,格茲和她的同事們能夠窺視阻擋可見光的重塵,得到銀河系中心的圖像.

“今年獲獎(jiǎng)?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)在研究致密和超大質(zhì)量天體方面開辟了新的領(lǐng)域.但是,這些奇異的物體仍然引出了許多問題,這些問題需要得到答案,并促進(jìn)未來的研究.”諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席戴維·哈維蘭德(DavidHaviland)表示:“這些問題不僅包括它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu),還包括如何在黑洞附近的極端條件下驗(yàn)證我們的引力理論.”

黑洞理論最初是由英國地理學(xué)家約翰·米歇爾(JohnMichell)提出的.他在1783年寫給亨利·卡文迪什的一封信中提出了這個(gè)想法,他認(rèn)為一個(gè)和太陽同等質(zhì)量的天體,如果半徑只有3千米,那么這個(gè)天體是不可見的,因?yàn)楣鉄o法逃離天體表面.除此之外,法國物理學(xué)家拉普拉斯曾在1796年預(yù)言:“如果一顆天體質(zhì)量約為太陽的250倍,直徑和地球相當(dāng),那么這個(gè)天體表面的引力將變得非常大,連光也不能逃脫.”之后科學(xué)家們普遍認(rèn)為宇宙中存在這么一種“可怕”的天體,任何物質(zhì)包括宇宙中最快的光也逃脫不了它的引力,只要靠近它就會(huì)瞬間化為烏有.

1916年廣義相對論問世后,德國的史瓦西根據(jù)廣義相對論計(jì)算出了黑洞,這是現(xiàn)代的黑洞概念的來源.在20世紀(jì)30年代末,美國的原子彈之父奧本海默和他的學(xué)生提出了一種學(xué)說:恒星在死亡塌縮的時(shí)候有可能塌縮成一個(gè)致密的奇點(diǎn),并推導(dǎo)出了這個(gè)質(zhì)量的下限(3.2個(gè)太陽質(zhì)量左右).20世紀(jì)60年代,黑洞的研究迎來了兩項(xiàng)突破性進(jìn)展:1963年新西蘭的數(shù)學(xué)家羅伊·克爾通過數(shù)學(xué)求解的方式第一次精確得到了愛因斯坦場方程帶有旋轉(zhuǎn)黑洞的精確解.1964年,用觀測方法發(fā)現(xiàn)了第一顆恒星級(jí)的黑洞.正是理論和觀測同時(shí)的突破,使得黑洞研究領(lǐng)域迎來了它的黃金時(shí)代.在接下來的二三十年,一大批天文學(xué)家、物理學(xué)家投身這個(gè)領(lǐng)域.現(xiàn)在人們所知道的關(guān)于黑洞的知識(shí)基本上都是在這段時(shí)間內(nèi)得到的.在這一時(shí)期,黑洞這個(gè)名字經(jīng)過普林斯頓大學(xué)教授約翰·惠勒的推廣,才得以被眾人所知.

1965年1月,也就是愛因斯坦去世10年后,羅杰·彭羅斯證明了黑洞確實(shí)可以形成,并詳細(xì)描述了它們(在黑洞的核心,隱藏著一個(gè)奇點(diǎn),在這個(gè)奇點(diǎn)中,所有已知的自然法則都停止了).他那篇具有開創(chuàng)性的文章仍然被認(rèn)為是繼愛因斯坦之后對廣義相對論最重要的貢獻(xiàn).

1974年,英國著名天體物理學(xué)家霍金提出“霍金輻射”理論,至此,黑洞存在成為物理學(xué)界的主流觀點(diǎn).

萊因哈德·根澤爾和安德里亞·格茲各自帶領(lǐng)著一個(gè)天文學(xué)家小組,從20世紀(jì)90年代早期開始,對銀河系中心一個(gè)叫作人馬座A?的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)研究.在他們的努力下,最靠近銀河系中心的最亮恒星的軌道已經(jīng)以越來越高的精度被繪制出來.這兩個(gè)小組的測量結(jié)果一致,都發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常重的、看不見的物體,它牽引著混亂的恒星,使它們以令人眩暈的速度奔跑.大約400萬個(gè)太陽質(zhì)量聚集在一個(gè)不比太陽系大的區(qū)域里.

2012年10月,安德里亞·格茲的研究小組在加州大學(xué)洛杉磯分校確認(rèn)了第二顆環(huán)繞銀河中心運(yùn)行的恒星.根據(jù)開普勒定律,格茲的團(tuán)隊(duì)利用軌道運(yùn)動(dòng)證明了人馬座A?的質(zhì)量為4.1±0.6百萬太陽質(zhì)量.因?yàn)槿笋R座A?比下一個(gè)最近的已知超大質(zhì)量黑洞M31?(位于M31的中心)的質(zhì)量大近一百倍,所以它現(xiàn)在是超大質(zhì)量黑洞的最佳例證之一.

2018年7月,萊因哈德·根澤爾等人報(bào)告,S2(恒星)軌道人馬座A?的記錄速度為7650km·s－1(光速的2.55%),這使他們從相對論速度的可辨別紅移中確認(rèn)了廣義相對論.

2019年4月,人類首次通過照片知道了黑洞的模樣,確認(rèn)了黑洞是真實(shí)存在的.

黑洞是引力非常強(qiáng)的天體,它是宇宙中最神奇,也是最簡單的一類天體.只需要3個(gè)物理量就可以描述黑洞——質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)、電荷.在宇宙中,氣體幾乎都以等離子體狀態(tài)存在,會(huì)存在非常多的自由電荷.如果一個(gè)黑洞帶電,那很容易吸附周圍的帶電粒子而達(dá)到電離平衡,所以只剩下兩個(gè)物理量——質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng),這樣就可以通過所謂的克爾度規(guī)來完整描述天體物理學(xué)當(dāng)中的黑洞.科學(xué)家的主要任務(wù)就是測量黑洞的這兩個(gè)基本量.據(jù)推測在銀河系中還應(yīng)該存在上億個(gè)恒星量級(jí)的黑洞.

到目前為止,人類僅僅探測到了幾十個(gè)黑洞,而且只有不到20個(gè)恒星量級(jí)的黑洞有非常精確的質(zhì)量測量.根據(jù)質(zhì)量可以把黑洞分為三大類:一類是恒星量級(jí)的黑洞,也就是說它的質(zhì)量在3倍太陽質(zhì)量到100倍太陽質(zhì)量之間.第二類稱為超大質(zhì)量的黑洞,它的質(zhì)量起點(diǎn)是幾十萬倍的太陽質(zhì)量,最多可以到幾十億倍甚至上百億倍的太陽質(zhì)量.介于二者之間的黑洞,稱為中等質(zhì)量黑洞,但是對于它們,現(xiàn)在觀測的直接證據(jù)非常少,僅能根據(jù)理論研究證明它們是存在的,所以尋找中等質(zhì)量的黑洞也是現(xiàn)在和將來要研究的熱門課題.