2020年诺贝尔物理学奖——黑洞“吸纳”全部奖金

◇ 北京 郭 红

北京时间2020年10月6日下午6点左右,诺贝尔物理学奖评选结果揭晓:三位科学家因为他们对宇宙中最奇异的现象之一——黑洞而分享了诺贝尔物理学奖.其中一半奖金被授予英国科学家罗杰·彭罗斯(RogerPenrose),他用巧妙的数学方法证明了黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果,证明了广义相对论星云导致了黑洞的形成.另一半奖金被授予德国科学家莱因哈德·根泽尔(ReinhardGenzel)和美国科学家安德里亚·格兹(AndreaGhez),他们发现了一个不可见且极其重的物体控制着银河系中心恒星的运行轨道,也就是一个超大质量的黑洞.

罗杰·彭罗斯是英国数学物理学家、科学哲学家,牛津大学数学荣誉退休教授,牛津沃德姆学院荣誉研究员,剑桥圣约翰学院荣誉研究员.彭罗斯对广义相对论和宇宙学的数学物理学发展做出了重要贡献.他曾获得多个奖项,包括1988年因与斯蒂芬·霍金共同得出彭罗斯霍金奇点理论荣获沃尔夫物理学奖.

莱因哈德·根泽尔是德国科学家,研究领域为红外和亚毫米波射电天文学,他和他的团队积极开发用于天文学研究的一些地面和空基仪器.他们最先在银河系中心追踪恒星运动的星团(人马座A∗),并表明它们正在绕着非常大的物体运行,该物体可能是黑洞.此外,他还活跃在对于银河系的形成和演化的研究领域中.

安德里亚·格兹是美国天文学家,也是加州大学洛杉矶分校物理与天文学系的教授.截至2020年,共有4名女性科学家获得诺贝尔物理学奖.2004年,《发现》杂志将格兹列为美国20大科学家之一.同年,格兹当选为美国国家科学院院士,2019年,当选为美国物理学会(APS)院士.格兹目前的研究涉及高空间分辨率成像技术,如自适应光学凯克望远镜,以研究恒星形成区和位于银河系中心的人马座A∗黑洞.通过在红外波长对银河系中心成像,格兹和她的同事们能够窥视阻挡可见光的重尘,得到银河系中心的图像.

“今年获奖者的发现在研究致密和超大质量天体方面开辟了新的领域.但是,这些奇异的物体仍然引出了许多问题,这些问题需要得到答案,并促进未来的研究.”诺贝尔物理学奖委员会主席戴维·哈维兰德(DavidHaviland)表示:“这些问题不仅包括它们的内部结构,还包括如何在黑洞附近的极端条件下验证我们的引力理论.”

黑洞理论最初是由英国地理学家约翰·米歇尔(JohnMichell)提出的.他在1783年写给亨利·卡文迪什的一封信中提出了这个想法,他认为一个和太阳同等质量的天体,如果半径只有3千米,那么这个天体是不可见的,因为光无法逃离天体表面.除此之外,法国物理学家拉普拉斯曾在1796年预言:“如果一颗天体质量约为太阳的250倍,直径和地球相当,那么这个天体表面的引力将变得非常大,连光也不能逃脱.”之后科学家们普遍认为宇宙中存在这么一种“可怕”的天体,任何物质包括宇宙中最快的光也逃脱不了它的引力,只要靠近它就会瞬间化为乌有.

1916年广义相对论问世后,德国的史瓦西根据广义相对论计算出了黑洞,这是现代的黑洞概念的来源.在20世纪30年代末,美国的原子弹之父奥本海默和他的学生提出了一种学说:恒星在死亡塌缩的时候有可能塌缩成一个致密的奇点,并推导出了这个质量的下限(3.2个太阳质量左右).20世纪60年代,黑洞的研究迎来了两项突破性进展:1963年新西兰的数学家罗伊·克尔通过数学求解的方式第一次精确得到了爱因斯坦场方程带有旋转黑洞的精确解.1964年,用观测方法发现了第一颗恒星级的黑洞.正是理论和观测同时的突破,使得黑洞研究领域迎来了它的黄金时代.在接下来的二三十年,一大批天文学家、物理学家投身这个领域.现在人们所知道的关于黑洞的知识基本上都是在这段时间内得到的.在这一时期,黑洞这个名字经过普林斯顿大学教授约翰·惠勒的推广,才得以被众人所知.

1965年1月,也就是爱因斯坦去世10年后,罗杰·彭罗斯证明了黑洞确实可以形成,并详细描述了它们(在黑洞的核心,隐藏着一个奇点,在这个奇点中,所有已知的自然法则都停止了).他那篇具有开创性的文章仍然被认为是继爱因斯坦之后对广义相对论最重要的贡献.

1974年,英国著名天体物理学家霍金提出“霍金辐射”理论,至此,黑洞存在成为物理学界的主流观点.

莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹各自带领着一个天文学家小组,从20世纪90年代早期开始,对银河系中心一个叫作人马座A∗的区域进行重点研究.在他们的努力下,最靠近银河系中心的最亮恒星的轨道已经以越来越高的精度被绘制出来.这两个小组的测量结果一致,都发现了一个非常重的、看不见的物体,它牵引着混乱的恒星,使它们以令人眩晕的速度奔跑.大约400万个太阳质量聚集在一个不比太阳系大的区域里.

2012年10月,安德里亚·格兹的研究小组在加州大学洛杉矶分校确认了第二颗环绕银河中心运行的恒星.根据开普勒定律,格兹的团队利用轨道运动证明了人马座A∗的质量为4.1±0.6百万太阳质量.因为人马座A∗比下一个最近的已知超大质量黑洞M31∗(位于M31的中心)的质量大近一百倍,所以它现在是超大质量黑洞的最佳例证之一.

2018年7月,莱因哈德·根泽尔等人报告,S2(恒星)轨道人马座A∗的记录速度为7650km·s－1(光速的2.55%),这使他们从相对论速度的可辨别红移中确认了广义相对论.

2019年4月,人类首次通过照片知道了黑洞的模样,确认了黑洞是真实存在的.

黑洞是引力非常强的天体,它是宇宙中最神奇,也是最简单的一类天体.只需要3个物理量就可以描述黑洞——质量、转动、电荷.在宇宙中,气体几乎都以等离子体状态存在,会存在非常多的自由电荷.如果一个黑洞带电,那很容易吸附周围的带电粒子而达到电离平衡,所以只剩下两个物理量——质量和转动,这样就可以通过所谓的克尔度规来完整描述天体物理学当中的黑洞.科学家的主要任务就是测量黑洞的这两个基本量.据推测在银河系中还应该存在上亿个恒星量级的黑洞.

到目前为止,人类仅仅探测到了几十个黑洞,而且只有不到20个恒星量级的黑洞有非常精确的质量测量.根据质量可以把黑洞分为三大类:一类是恒星量级的黑洞,也就是说它的质量在3倍太阳质量到100倍太阳质量之间.第二类称为超大质量的黑洞,它的质量起点是几十万倍的太阳质量,最多可以到几十亿倍甚至上百亿倍的太阳质量.介于二者之间的黑洞,称为中等质量黑洞,但是对于它们,现在观测的直接证据非常少,仅能根据理论研究证明它们是存在的,所以寻找中等质量的黑洞也是现在和将来要研究的热门课题.