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2020年诺贝尔物理学奖花落“宇宙最黑暗的秘密”!
2020/10/06 21:51  交汇点新闻  杨频萍  

  交汇点讯 6日下午,2020年诺贝尔物理学奖授予英美德三位科学家,奖金的一半授予英国科学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),另一半共同授予德国科学家莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和美国科学家安德烈亚·盖兹(Andrea Ghez)。第一位在黑洞研究中验证了广义相对论,而后两者因对于银河系中心超大质量物体的研究而获奖。

  正如颁奖人所表示,今年的奖项关乎“宇宙最黑暗的秘密”——三位获奖人都因在黑洞研究方面所做的卓越贡献而获奖。“黑洞”凭何吸走了今年诺贝尔物理学奖奖金?记者联系了南京大学天文与空间科学学院教授李志远、南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉、南京大学数学系教授郭学军为我们科普解读。

  最短十年一周期,窥得“宇宙的秘密”

  “这三位获奖者都至少在该领域有30年的耕耘,在最近10年才慢慢到开花结果的时候。罗杰·彭罗斯的研究更远远超过三十年。”李志远告诉记者,“黑洞”获奖非常令人惊叹,但又在情理之中。诺奖级别的成果往往都是耕耘数十年的重大成果和发现。“比如2019年拍下黑洞的‘事件视界望远镜’比较轰动,但也没有到拿奖的时候。”

  李志远告诉记者,以这三位当中最年轻的美国科学家安德烈亚·盖兹为例, 1992年博士毕业于美国加州理工学院后,到加州大学做助理教授开始就从事黑洞研究。德国科学家莱因哈德·根泽尔就更早一些进入该领域,在美国著名的马克斯·普朗克地外物理所研究所开展工作。“这两位科学家各自领导着一个天文学家小组,自20世纪90年代初以来,他们一直专注于银河系中心一个叫做人马座a*的区域,所用的都是10米级大口径、探测能力最强的望远镜,监测围绕黑洞运转的一些恒星,绘制出恒星的运行轨道。”

  “这样的轨道最短的周期也在十几年左右,所以你必须要监测十几年以上。”李志远告诉记者,30年间轨道周期最短的已经走了将近两圈,最外面的恒星轨道刚刚或是接近走完一圈,所以距离银河系中央最亮恒星的轨道已经被越来越精确地绘制出来。

  李志远说,这两组人的测量结果一致,在这些恒星运转的轨道上,都发现了一个共同的“沉重”焦点。大约400万个太阳质量聚集在一个不比我们的太阳系大的区域,牵引着恒星以令人眩晕的速度四处奔波。“这个超大质量物体,为我们提供了迄今为止黑洞在宇宙中真实存在的最有说服力的证据,这是一项开创性的工作。”

  利用世界上最大的望远镜,两位科学家也发明了一种观测方法,“因为地面上的望远镜穿过大气层看宇宙,需要克服大气的湍流,他们通过激光束来实时测定湍流的效应,并某种程度上抵消其影响,达到望远镜衍射极限,改进了观测技术并致力于长期研究。” 李志远说。

  巧妙数学方法拓展广义相对论,预测黑洞存在

  莱因哈德·根泽尔和安德烈亚·盖兹因“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”而被授予诺贝尔物理学奖。而罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)被授予2020年诺贝尔物理学奖的理由是“发现黑洞形成是广义相对论的可靠预测。”

  南大天文与空间科学学院教授王祥玉告诉记者,作为牛津大学数学系名誉教授的彭罗斯是霍金多年的好友,在业界眼里,他与其说是一位物理学家,不如说是一位数学家和数学物理学家,他对物理的最大的贡献都和数学相关。

  提出“预见”广义相对论的爱因斯坦并不相信黑洞的存在,但彭罗斯通过严谨的数学逻辑证明,爱因斯坦的广义相对论能够有力地预测黑洞的形成。

  彭罗斯建立的一个数学定理表明,基于几个合理的假设(通过使用当时大部分物理学家并不熟悉的整体/拓扑技术),一颗坍缩中的、质量过大的恒星最后会在时空中坍塌形成一个奇点,并在其周围形成一个封闭的空间,能够把光也束缚在其中。在这个中心的奇点处,密度和时空曲率都被预期会变得无穷大的地方——为我们提供了现在称之为“黑洞”的物体的一个图像。爱因斯坦的经典广义相对论将不再适用,黑洞可以形成。

  在2019年,天文学家终于第一次直接捕获了黑洞的照片,黑洞的存在被直接证明。正因为彭罗斯的突出贡献,他获得了今年的诺奖。

  南京大学数学系教授郭学军曾在2009年3月份,接受华英文教基金的资助,在美国哥伦比亚大学数学系访学期间,听过罗杰·彭罗斯的讲座。郭学军告诉记者,彭罗斯还是一位科学明星,他画过不可能的“彭罗斯阶梯”,还有“彭罗斯瓷砖”,能够以永不重复的方式铺满在无穷平面上。以色列晶体学家丹尼尔·谢赫特曼对彭罗斯瓷砖进行了了深入的研究,在晶体中发现了类似的现象,2011年还获得了诺贝尔奖。

  “彭罗斯演讲的一开始就与众不同, 居然是手写的纸张, 然后使用实物投影。我当时很惊讶,世界级的科学家怎样会用这么原始的方式来展示他的成果?”郭学军回忆,彭罗斯的报告非常精彩,“但是我对他的称之为‘大爆炸’的理论不太懂,只能感觉到是一个很有意义的理论。没想到今天他获得了诺贝尔物理奖。”

  南大与安德烈亚·盖兹开展了合作

  在三位获奖者中,安德烈亚·盖兹格外引人注目,这位美国加州大学洛杉矶分校物理与天文学系的教授,成为继玛丽·居里(1903年)、玛丽亚·格佩特-梅耶(1963年)和唐娜·斯特里克兰(2018年)之后,第四位荣获诺贝尔物理学奖的女性。

  李志远告诉记者,在美国有段时间他曾在世界知名的银河系中心组工作,安德烈亚·盖兹是核心成员和领导者之一。“近十年我们与那边一直保持学术交流,今年我们就有一篇论文与安德烈亚·盖兹那边合作。”当问到对她的评价时,李志远说,安德烈亚·盖兹首先是一位非常严肃的科学家,她发论文的周期都很长,但每一篇论文都是业界的标杆,可以说是30年将一个事情做到极致,她也很少去考虑其他方向的问题研究。

  四年中获得三次奖,很多人戏称天文学成了最大赢家。李志远说,这对于黑洞研究者包括天体物理学者来说,当然是一个激励,但其实黑洞的挑战性和吸引力一直很大。以视界望远镜来说,它第一个目标就是银心的黑洞,“虽然首张照片是恒星M87,但主要是因为观测角度和数据分析相对容易,未来我们可以期待银心黑洞的照片的发布。”李志远表示。

  正如诺贝尔物理学委员会主席大卫·哈维兰所说,“今年获奖者的发现为紧凑和超大质量物体的研究开辟了新天地。但是,这些奇异的物体仍然提出了许多问题,这些问题需要解答,并激励了未来的研究。”

  交汇点记者 杨频萍

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责编:刘雨菲

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