張昊

2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予下列三位科學(xué)家，羅杰·彭羅斯、賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲。以表彰他們?cè)谔祗w物理學(xué)，特別是利用廣義相對(duì)論進(jìn)行黑洞理論研究以及發(fā)現(xiàn)銀河中心超大質(zhì)量黑洞方面取得的偉大功績(jī)。那么，三位科學(xué)家到底做了怎樣的工作？

用愛(ài)因斯坦的理論突破愛(ài)因斯坦的想象

彭羅斯是廣義相對(duì)論的集大成者，而這一理論的祖師爺正是愛(ài)因斯坦。愛(ài)因斯坦本人并不相信黑洞的存在，他認(rèn)為這種擁有超大質(zhì)量，可以吞噬一切的物體過(guò)于荒謬。而彭羅斯則利用巧妙的數(shù)學(xué)方法證明黑洞存在是廣義相對(duì)論成立所能推導(dǎo)出的必然結(jié)果。1965年1月，彭羅斯證明黑洞確實(shí)能夠形成，并且詳細(xì)地對(duì)其進(jìn)行了描述。他的理論認(rèn)為，在黑洞中心存在一個(gè)奇點(diǎn)，在這里所有已知的自然規(guī)律都將失效。直到去世，愛(ài)因斯坦始終都對(duì)黑洞理論相當(dāng)不感冒。即便沒(méi)有得到愛(ài)因斯坦的肯定，但黑洞的存在已經(jīng)是現(xiàn)代天體物理學(xué)中廣為接受的真理之一。彭羅斯在廣義相對(duì)論方面的突出成就可以說(shuō)是愛(ài)因斯坦之后的又一座高峰。彭羅斯的成果從提出到得到諾獎(jiǎng)?wù)J可足足過(guò)去了半個(gè)世紀(jì)之久，這中間經(jīng)歷的無(wú)數(shù)質(zhì)疑和抨擊，都隨著時(shí)間的消逝成為獎(jiǎng)杯背后的陰影。我們應(yīng)當(dāng)由衷感激彭羅斯為拓展人類視野做出的杰出貢獻(xiàn)。

銀河系中央的怪物

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲各自帶領(lǐng)一支隊(duì)伍對(duì)銀河系中心的人馬座A* 區(qū)域展開(kāi)觀測(cè)。兩支隊(duì)伍不約而同地發(fā)現(xiàn)，這里無(wú)時(shí)無(wú)刻不在上演著詭異的景象：這一區(qū)域雖然大小和整個(gè)太陽(yáng)系差不多，但質(zhì)量卻達(dá)到了四百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)那么大。這里似乎有一個(gè)巨大的天體，而且根本無(wú)法用光學(xué)方式進(jìn)行觀測(cè)。在這一不可見(jiàn)的龐大引力源的作用之下，附近的恒星群們狂暴地圍繞其旋轉(zhuǎn)，速度令人瞠目。利用當(dāng)時(shí)世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡，根策爾和蓋茲發(fā)展出了一種可以透過(guò)厚重的星際物質(zhì)直接觀測(cè)銀河系中央的方法。同時(shí)，他們還通過(guò)對(duì)地球大氣帶來(lái)的成像扭曲進(jìn)行矯正，進(jìn)一步提升了上述方法的精度和觀測(cè)極限。最終，在他們的努力下，銀河系中央存在巨型黑洞的決定性證據(jù)呈現(xiàn)在了世人面前。

大門開(kāi)啟，但外面的世界仍是無(wú)盡的未知

今天獲獎(jiǎng)的三位物理學(xué)家用開(kāi)創(chuàng)性的智慧為我們帶來(lái)了研究超大質(zhì)量天體的全新方法，他們各自取得的成就也毫無(wú)疑問(wèn)地為人類打開(kāi)了通往新世界的大門。然而，人類卻發(fā)現(xiàn)仍然有無(wú)數(shù)的未知在門外等候。例如，銀河系中央的黑洞有一個(gè)太陽(yáng)系那么大，在如此廣闊的空間內(nèi)，黑洞有著怎樣的結(jié)構(gòu)？它的內(nèi)部是怎樣的世界？沿襲著怎樣的物理原理？這些物理原理和人類已知的物理原理有何異同？無(wú)數(shù)的疑問(wèn)仍然等待物理學(xué)家們?nèi)ニ伎己吞剿鳌．?dāng)然，有人會(huì)問(wèn)：之前獲得諾獎(jiǎng)的不少研究成果是我們有機(jī)會(huì)遇到的事物（比如丙肝病毒和鋰電池），但是黑洞這種研究對(duì)普通人有什么影響？物理學(xué)是研究萬(wàn)物之理的學(xué)問(wèn)，研究物理學(xué)的目的就是在認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的基礎(chǔ)上對(duì)其加以利用，以造福人類生活。宇宙的起源和未來(lái)以及人類在其中的位置是人類所面臨的終極物理學(xué)命題，去年的地外行星探索和今年的黑洞相關(guān)研究相繼獲獎(jiǎng)，充分說(shuō)明這類議題對(duì)于人類的重要意義。

如果你一定要問(wèn)這類天體物理學(xué)的基礎(chǔ)研究有什么用，我想答案便是——我們可能無(wú)法馬上利用天體物理學(xué)的知識(shí)給人們的生活帶來(lái)改觀，但我們不能接受自己永遠(yuǎn)身處于無(wú)知的黑暗。

（摘自科普中國(guó)網(wǎng)）

諾獎(jiǎng)小插曲·霍金的科研好友

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)繼2017年、2019年之后，又一次授予天體物理學(xué)方向；并且2017年雷納·韋斯、巴里·巴瑞斯、吉普·索恩因引力波探測(cè)研究獲獎(jiǎng)，也與黑洞研究密不可分。加上此前著名的“黑洞照片”公布，黑洞在這幾年可以說(shuō)是反復(fù)躍入公共視野。但圍繞今年諾獎(jiǎng)首次頒給黑洞研究這個(gè)話題，還是產(chǎn)生了不少疑問(wèn)。比如說(shuō)很多媒體和評(píng)論人都認(rèn)為，屬于黑洞研究的諾獎(jiǎng)“姍姍來(lái)遲”，并且頒給霍金好友羅杰·彭羅斯，是對(duì)2018年霍金辭世的某種惋惜和追悔。

1931年出生的羅杰·彭羅斯教授，比霍金年長(zhǎng)11歲，在諾獎(jiǎng)之前，羅杰·彭羅斯教授還跟霍金教授有過(guò)多次同臺(tái)獲獎(jiǎng)的經(jīng)歷，比如倫敦皇家天文學(xué)會(huì)艾丁頓獎(jiǎng)、沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)，二人也有合著：《時(shí)空的本質(zhì)》。

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