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物理学奖:理论与实践的完美结合

2020-10-26 来源:三联生活周刊 阅读数 410 分享

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本文刊载于《三联生活周刊》2020年第42期,原文标题《物理学奖:理论与实践的完美结合》,严禁私自转载,侵权必究

2020年10月6日,三位科学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)、莱因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)分享了本年度的诺贝尔物理学奖。其中数学家和理论物理学家彭罗斯获得一半奖金,两位天文学家根策尔与盖兹分享一半奖金。

主笔/苗千

罗杰·彭罗斯

曾经有人问已故的剑桥大学教授史蒂芬·霍金,如果有机会向爱因斯坦问一个问题,他会问什么。霍金回答,他会问爱因斯坦为什么不相信黑洞的存在。确实,即使是作为广义相对论的开创者,爱因斯坦也没有意识到这个理论所蕴藏的巨大力量。人们凭借着广义相对论理解宇宙,预测了很多神奇天体的存在,并且探索自身在宇宙中的位置。而三位物理学家罗杰·彭罗斯、莱因哈德·根策尔和安德里亚·盖兹也正是因为对于黑洞在理论和实践两个方面的探索,获得了2020年诺贝尔物理学奖。

现在谈到一些宇宙学名词,比如“大爆炸”(Big Bang)和“黑洞”(Black Hole)等,人们都已经感觉习以为常,一些天文学名词甚至进入了人们的日常用语。不过就在短短几十年前,关于宇宙的历史、宇宙是否存在一个起点,以及在宇宙中是否真的存在这种仅仅在数学上可能存在的神奇天体,还有着极大的争议。想要证明黑洞的真实性,不仅需要在理论上给出无懈可击的证明,更需要在实践中做出发现。

早在18世纪,就有人想象存在一种自身引力大到连光都无法逃脱的天体。这种想象中的天体也就因此得名“暗星”(Dark Star)。时至1915年11月,爱因斯坦发表了描述时空性质的广义相对论,很快就有人通过计算,得出可能存在一种极其致密的天体的推测。但是宇宙中是否真的可能存在这样的天体?当时就连爱因斯坦本人都不相信。

英国数学家和理论物理学家、牛津大学教授罗杰·彭罗斯“因为证明黑洞的形成是广义相对论的直接结果”而获奖。作为霍金的生前好友,现年已经89岁、研究兴趣广泛的彭罗斯成名已久。很多读者是通过他写的两部科普著作《皇帝新脑》和《通向实在之路:宇宙法则的完全指南》认识了这位特立独行的理论学家。

根据彭罗斯的回忆,1964年秋天,当时他正在伦敦伯贝克学院执教,在街道上散步时他脑海中忽然出现了一个关于“俘获面”(Trapped Surfaces)的想法。由这个关键的概念可以得出,在某种情况下天体会因为自身重力形成塌缩,最终形成黑洞无可避免。这正是他完成关于黑洞的数学证明的关键一步。于是在1965年1月,也就是爱因斯坦去世10年之后,彭罗斯发表了一篇决定性的论文《引力塌缩与时空奇点》(Gravitational collapse and space-time singularities)。论文在广义相对论的基础上,利用高超的数学手段证明了在宇宙中必然存在着一种奇异的天体,而在它的中心包裹着一个曲率为无限大的奇点——一个密度无限大,一切物理定律都将失效的时空尽头。

莱因哈德·根策尔

利用数学手段进行证明与实际观测是两项完全不同的工作。在1969年,英国天文学家唐纳德·林登-贝尔(Donald Lynden-Bell)与马丁·里斯(Martin Rees)就曾经推测,在银河系的中心可能存在着一个质量巨大的黑洞。而且这个黑洞很可能就是令当时的天文学家感到迷惑的、释放出巨大能量的类星体的能量来源。这样的推测在当时无法得到证实。受到天文观测技术的限制,除了能够探测到其发射的射电信号之外,人们无法清晰观测到充斥着气体和星际尘埃的银河系中心位置。

从20世纪80年代开始,当时作为加州大学伯克利分校一名博士后研究员的根策尔就开始跟随诺贝尔奖得主查尔斯·汤斯(Charles Townes)进行天文学研究。随后他加入德国马克斯-普朗克研究所,主要使用位于智利的新技术望远镜(New Technology Telescope)和甚大望远镜(Very Large Telescope)进行观测,目标指向了银河系的中心区域——发射出射电信号的银河系的中心人马座A*(Sagittarius A*),并且逐渐发现一些在银河系的中心存在一个超巨型黑洞的间接证据。汤斯回忆,从80年代起根策尔就开发出了一些技术,可以精确测量银河系中心区域一些恒星的质量和运行轨迹。多年来的努力,最终使根策尔的研究团队在2002年取得了决定性的成果。

在美国加州大学洛杉矶分校进行研究的天文学家盖兹则是从90年代开始,就主要在位于夏威夷的凯克天文台(W.M. Keck Observatory)对银河系的中心区域进行观测。在进行天文学观测的过程中,盖兹对自适应光学(Adaptive Optics)技术进行了开创性的研究,消除地球大气层对太空观测带来的影响。盖兹的团队最终在2000年和2003年发表了关于银河系中心超巨型黑洞存在的决定性证据。根策尔和盖兹领导的两个研究团队追踪了2.6万光年之外,在银河系中心区域数千颗恒星的运动轨迹,在相互印证之下终于确定,在银河系的中心存在着一个质量相当于400万个太阳质量的超巨型黑洞。

安德里亚·盖兹

本届诺贝尔物理学奖,算得上是对人类物理学史上一次理论研究和实践观测完美结合的庆祝。广义相对论的出现,从根本上改变了人类认识宇宙、理解自身的方式。通过抽象艰深的数学工具,人类居然认识到宇宙的本来面目,这本身就令人感到不可思议。而通过在地球表面架设的主要由巨大镜片构成的天文望远镜,居然可以让人类从位于银河系外围一条悬臂的位置,一直望向2.6万光年之遥的银河系的核心区域,观测到盘踞在那里的超巨型黑洞,这也无法不让人浮想联翩。

人类也许永远都无法到达银河系的中心。不过我们可以想象,在那里超新星频繁爆发,距离中心黑洞太近的恒星甚至可能直接被撕裂,成为一个类星体,释放出足以照亮整个星系的巨大能量。在重重灰尘和气体的包裹之中,整个星系的中央,是一个扭曲了时空的超巨型黑洞,它不动声色地吞噬一切距离它太近的物质。在黑洞的中心,则包裹着人类的未知——奇点。

(本文写作参考了诺贝尔网站、加州大学洛杉矶分校网站、加州大学伯克利分校网站的相关报道)

责任编辑:Quan

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