2020年诺贝尔物理学奖中的女性之光

李忠东

黑洞研究首次得到诺奖肯定

英国科学家罗杰·彭罗斯（1931— ）、德国科学家赖因哈德·根策尔（1952— ）和美国科学家安德烈娅·盖兹 （1965— ）因为发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞，共同分享了2020年诺贝尔物理学奖。特别之年，物理学用科学照亮“黑暗”。为了向这三位获奖者致敬，斯德哥尔摩把外太空的影像投射到瑞典首都斯德哥尔摩市政厅的外墙上。2020年12月5日—13日举办的这场光影秀将艺术与科技有机融合，以一种全新的方式庆祝诺贝尔奖。

三位科学家的研究成果提供了迄今为止最令人信服的证据，即银河系中央有一个超大质量的黑洞，为研究超大质量致密天体开辟了新天地，并将激发未来的科学研究。诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德表示，我们亟需解答的不仅有关于这些奇异天体内部结构的问题，还有关于如何在黑洞周边的极端条件下测试我们的引力理论的问题。

诺贝尔物理学奖见证了人类百年的探索领域，从脚下的这颗星球，扩展到头顶的星空。过去5年中，天体物理学的研究成果已经3次摘取诺贝尔物理学奖的桂冠。

不过，自1901年首次颁奖至今，在获得物理学奖的215名科学家中仅有4位女性获奖者：1903年和1911年，居里夫人因对放射性理论的研究以及发现新元素钋、镭而获奖；1963年，美国物理学家玛丽亚·格佩特—梅耶因原子核研究获奖；2018年，加拿大物理学家唐娜·斯特里克兰因在激光物理学领域作出突破性贡献而获奖；2020年，美国加州大学洛杉矶分校的盖兹成为第4位女性诺贝尔物理学奖得主。盖兹在接受现场电话连线采访中说：“科学对人类至关重要，我非常关注和重视年轻一代提问和思考的能力。……促使我进入该研究领域的首先是怀疑与着迷，我们不知道黑洞中有什么。这将有助于推动我们去了解新世界。”

盖兹2004年当选为美国国家科学院院士，2019年当选为美国物理学会院士，她还被“我的英雄计划”确定为科学英雄，其形象多次出现在英国广播公司、探索频道和历史频道等组织制作的纪录片中。

黑洞引力把恒星拉成“面条”

德国哲学家康德说过，世界上唯有两样东西能让我们的内心受到深深的震撼，一是我们头顶浩瀚灿烂的星空，一是我们心中崇高的道德法则。人类从何处来，现在身在何处，未来去往哪里？对宇宙的探究，让一代又一代的科学家为之痴迷。爱因斯坦提出的广义相对论颠覆了传统的空间和时间概念，他的方程式预言了黑洞的存在：大质量的天体会使空间弯曲、时间减慢，一个超大质量的天体甚至能吞噬光线，从而形成一片“绝对黑暗”的空间，这就是黑洞。黑洞引力非常强大，甚至连光线也无法逃逸，没有光线射出的边界称为“事件视界”。据美国有线电视新闻网2020年10月12日的消息，天文学家通过位于智利的欧洲南方天文台望远镜观测到，在2.15亿光年外的波江座螺旋星系中，一颗恒星被一个超大质量黑洞撕裂并吞噬。这是迄今為止天文学家看到的距离最近的恒星“临终”燃烧过程。它解体时发出强烈的闪光，同时以每秒大约1万公里的速度向外抛射尘埃物质。在长达6个月的时间里，这颗恒星被黑洞慢慢吸引并吞噬，其间亮度逐渐变暗，至少一半的质量被拉成“面条”，最终消失。对此天文学家风趣地取了一个名字——“面条化”（或“拉面”）。观测发现，这颗恒星的质量和太阳差不多，而黑洞的质量至少相当于100万个太阳。这是迄今观测到的距地球最近的恒星“潮汐瓦解”事件。

瑞典皇家科学院在新闻公报中说，彭罗斯使用巧妙的数学方法，论证黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果。他证明黑洞确实可以形成，并对其进行了详细描述：在黑洞的核心隐藏着一个奇点，它的时空曲率无穷大，密度也趋于无限大。一旦物质开始坍缩，就没有什么能阻止坍缩的继续，所有物质只能沿一个方向走向奇点，这是一条通往时间尽头的“单行道”。 现在，黑洞的中心存在奇点已成为科学界的普遍认识。

公报还说，根策尔和盖兹分别领导一个科研小组，用各种先进的望远镜观测银河系中央一个名为“射手座A *”的区域。他们都发现了一个质量非常大且看不见的天体：在不超过太阳系的空间中聚集了约400万个太阳的质量，使周边恒星急速旋转。这一开创性工作提供了迄今为止最令人信服的证据，即银河系中央有一个超大质量的黑洞。经过25年的悉心观察研究，盖兹的脑海里已经有了“射手座A *”的区域一些最明亮恒星的详细地图。“我感觉所有这些恒星都像‘孩子一样，知道并且能叫出它们的名字，但每年它们都会变得有点不同。”她描述道，“这些‘孩子的走位越来越精确地呈现在我的眼前，可以确定，一个极其沉重、看不见的物体牵引着恒星以眩目的速度绕行。”

2019年4月10日，全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海、中国台北、日本东京、美国华盛顿）召开新闻发布会，发布人类历史上第一张黑洞照片。它由全球8台射电望远镜组合而成的“‘事件视界望远镜”拍摄，用了约两年的时间才“冲洗”出来。照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构，看上去有点像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“阴影”，明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。被拍到的这个超大质量黑洞位于一个名为M87的室女座超巨椭圆星系中央，质量是太阳的65亿倍，距离地球大约5500万光年。在不久的将来，银河系中央的黑洞“真容”可能也会显露。

从喜欢跳舞到迷上太空

盖兹小时候喜欢跳舞，甚至有一段时间梦想成为一名芭蕾舞演员。但自从在电视上目睹了阿波罗登月后，探索宇宙的兴趣倍增，尽管当时她只有4岁。十几岁的时候，她经常在深夜望着窗外的天空思考宇宙问题，暗暗下定决心要成为一名征服太空的物理学家。虽然当时的航天领域几乎是男性的天下，但盖兹的母亲并不认为女儿的愿望是异想天开，而是支持她坚持自己的梦想，并鼓励她学习科学，一步步实现自己的理想。她回忆说“：我喜欢思考那些有悖论的问题。例如时间的开始和结束是什么？宇宙的边缘在哪里？在面对拥有130亿年历史的宇宙时，你如何看待人类微不足道的10万年前的存在？”

进入高中后，盖兹对数学情有独钟，与此同时遇到了一位教化学的女老师，她严谨的逻辑和理性的思维讓盖兹领略到科学女性的人格魅力。盖兹一直把这位高中唯一的女性科学课老师作为人生路上的第一个榜样，对自然科学更加痴迷。如果说母亲是盖兹梦想的守护神，那么高中化学老师就是她最初前进的标杆。“女性同样可以精通数学和物理学这两门美妙的学科，我希望能激励其他年轻女性进入科学领域。”盖兹在获奖后的采访中这样说，“这是一个有很多乐趣的领域，如果你对科学充满热情，那么你就还有很多事情可以做。”

盖兹的数学成绩一向很好，被麻省理工学院录取后开始主修数学。为了离自己探索宇宙的梦想更近，进入大二后她将专业转为物理。1987年，她获得麻省理工学院的物理学学士学位， 1992年在美国著名航天员兼科学家格里·纽格鲍尔的指导下获得加州理工学院博士学位。

盖兹乐于将自己的研究成果分享给更多热爱宇宙学的年轻学子，正是研究与教学之间的平衡才使事业如此充实。她感到有责任鼓励对物理学感兴趣的年轻女性为之奋斗。盖兹发现，让自己接触更多人的最好方法就是教书。在加州理工学院读博士时，她就请求学校破格让自己教授大一物理课，理由是年轻的学生们没有足够的女性榜样，而她的存在可以鼓励年轻女性从事天体物理学的职业。她极高的学术造诣、旺盛的工作精力以及对学生的热忱关心，赢得了同行的钦佩。学校向当时还是学生的她颁发了加州理工学院教学奖，该奖在以往只颁发给学校的正式教师。为了促进学生的学习，盖兹经常在考试和讲课中加入动画片，通过轻松的方式让学生消除对物理的恐惧。除了教学，盖茨还经常分析计算机数据并撰写建议书、发表研究结果。

盖兹坚持每年访问凯克望远镜6次——这座位于太平洋夏威夷岛上的天文望远镜坐落在海拔4200多米、人迹罕至的莫纳克亚山上，由加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室和加州理工学院建造。它口径达10米，一个晚上就可以观测85颗恒星，极大地方便了科学家追踪和寻找行星。

与游泳结下不解之缘

盖兹除了在物理学研究上卓有建树之外，还酷爱游泳。她是有着20多年历史的UCLA布鲁因大师游泳俱乐部的创始者之一，后成为加利福尼亚州的大师级游泳选手。盖兹在美国两届奥运选手埃里卡·斯特宾斯的指导下进行训练，赞赏她作为教练所表现出的积极性和精湛技巧：“斯特宾斯强调游泳对保持身体和精神健康至关重要，鼓励我们尽力而为。”

在接受采访时盖兹强调，布鲁因大师游泳俱乐部及其成员是她一生的重要组成部分，这是使校园能够以有趣且不寻常的方式与自身联系的一件奇妙事情。“很荣幸的是，我结识的不仅有教职人员，还有社区中各种各样的人。在游泳池，大家关心的只有速度。至于从事什么工作或研究，已经全被抹去。”

这位诺奖得主发现，游泳可以帮助自己强身健体、放松身心、保持清醒，使生活中的一切保持平衡。同时还有助于她从新的角度审视问题，就像冥想那样，有时不直接查看问题就可以将其解决。“我们生活在这个小小的星球上，每天看到太阳升起，意味着新的一天开始。”盖兹深情地说，“我喜欢披着美丽的朝霞，兴致勃勃地在UCLA施派克水上运动中心畅游。然后我离开游泳池，转换身份，从游泳爱好者变成天文学研究者，继续探索奥秘无穷的茫茫太空。”