李忠東

黑洞研究首次得到諾獎(jiǎng)肯定

英國(guó)科學(xué)家羅杰·彭羅斯（1931— ）、德國(guó)科學(xué)家賴因哈德·根策爾（1952— ）和美國(guó)科學(xué)家安德烈婭·蓋茲 （1965— ）因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了宇宙中最奇異的現(xiàn)象之一——黑洞，共同分享了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。特別之年，物理學(xué)用科學(xué)照亮“黑暗”。為了向這三位獲獎(jiǎng)?wù)咧戮?，斯德哥爾摩把外太空的影像投射到瑞典首都斯德哥爾摩市政廳的外墻上。2020年12月5日—13日舉辦的這場(chǎng)光影秀將藝術(shù)與科技有機(jī)融合，以一種全新的方式慶祝諾貝爾獎(jiǎng)。

三位科學(xué)家的研究成果提供了迄今為止最令人信服的證據(jù)，即銀河系中央有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，為研究超大質(zhì)量致密天體開辟了新天地，并將激發(fā)未來(lái)的科學(xué)研究。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)主席戴維·哈維蘭德表示，我們亟需解答的不僅有關(guān)于這些奇異天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，還有關(guān)于如何在黑洞周邊的極端條件下測(cè)試我們的引力理論的問(wèn)題。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)見(jiàn)證了人類百年的探索領(lǐng)域，從腳下的這顆星球，擴(kuò)展到頭頂?shù)男强?。過(guò)去5年中，天體物理學(xué)的研究成果已經(jīng)3次摘取諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的桂冠。

不過(guò)，自1901年首次頒獎(jiǎng)至今，在獲得物理學(xué)獎(jiǎng)的215名科學(xué)家中僅有4位女性獲獎(jiǎng)?wù)撸?903年和1911年，居里夫人因?qū)Ψ派湫岳碚摰难芯恳约鞍l(fā)現(xiàn)新元素釙、鐳而獲獎(jiǎng)；1963年，美國(guó)物理學(xué)家瑪麗亞·格佩特—梅耶因原子核研究獲獎(jiǎng)；2018年，加拿大物理學(xué)家唐娜·斯特里克蘭因在激光物理學(xué)領(lǐng)域作出突破性貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)；2020年，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的蓋茲成為第4位女性諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。蓋茲在接受現(xiàn)場(chǎng)電話連線采訪中說(shuō)：“科學(xué)對(duì)人類至關(guān)重要，我非常關(guān)注和重視年輕一代提問(wèn)和思考的能力?！偈刮疫M(jìn)入該研究領(lǐng)域的首先是懷疑與著迷，我們不知道黑洞中有什么。這將有助于推動(dòng)我們?nèi)チ私庑率澜?。?p>

蓋茲2004年當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，2019年當(dāng)選為美國(guó)物理學(xué)會(huì)院士，她還被“我的英雄計(jì)劃”確定為科學(xué)英雄，其形象多次出現(xiàn)在英國(guó)廣播公司、探索頻道和歷史頻道等組織制作的紀(jì)錄片中。

黑洞引力把恒星拉成“面條”

德國(guó)哲學(xué)家康德說(shuō)過(guò)，世界上唯有兩樣?xùn)|西能讓我們的內(nèi)心受到深深的震撼，一是我們頭頂浩瀚燦爛的星空，一是我們心中崇高的道德法則。人類從何處來(lái)，現(xiàn)在身在何處，未來(lái)去往哪里？對(duì)宇宙的探究，讓一代又一代的科學(xué)家為之癡迷。愛(ài)因斯坦提出的廣義相對(duì)論顛覆了傳統(tǒng)的空間和時(shí)間概念，他的方程式預(yù)言了黑洞的存在：大質(zhì)量的天體會(huì)使空間彎曲、時(shí)間減慢，一個(gè)超大質(zhì)量的天體甚至能吞噬光線，從而形成一片“絕對(duì)黑暗”的空間，這就是黑洞。黑洞引力非常強(qiáng)大，甚至連光線也無(wú)法逃逸，沒(méi)有光線射出的邊界稱為“事件視界”。據(jù)美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)2020年10月12日的消息，天文學(xué)家通過(guò)位于智利的歐洲南方天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，在2.15億光年外的波江座螺旋星系中，一顆恒星被一個(gè)超大質(zhì)量黑洞撕裂并吞噬。這是迄今為止天文學(xué)家看到的距離最近的恒星“臨終”燃燒過(guò)程。它解體時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈的閃光，同時(shí)以每秒大約1萬(wàn)公里的速度向外拋射塵埃物質(zhì)。在長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的時(shí)間里，這顆恒星被黑洞慢慢吸引并吞噬，其間亮度逐漸變暗，至少一半的質(zhì)量被拉成“面條”，最終消失。對(duì)此天文學(xué)家風(fēng)趣地取了一個(gè)名字——“面條化”（或“拉面”）。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這顆恒星的質(zhì)量和太陽(yáng)差不多，而黑洞的質(zhì)量至少相當(dāng)于100萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)。這是迄今觀測(cè)到的距地球最近的恒星“潮汐瓦解”事件。

瑞典皇家科學(xué)院在新聞公報(bào)中說(shuō)，彭羅斯使用巧妙的數(shù)學(xué)方法，論證黑洞是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的直接結(jié)果。他證明黑洞確實(shí)可以形成，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)描述：在黑洞的核心隱藏著一個(gè)奇點(diǎn)，它的時(shí)空曲率無(wú)窮大，密度也趨于無(wú)限大。一旦物質(zhì)開始坍縮，就沒(méi)有什么能阻止坍縮的繼續(xù)，所有物質(zhì)只能沿一個(gè)方向走向奇點(diǎn)，這是一條通往時(shí)間盡頭的“單行道”。 現(xiàn)在，黑洞的中心存在奇點(diǎn)已成為科學(xué)界的普遍認(rèn)識(shí)。

公報(bào)還說(shuō)，根策爾和蓋茲分別領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)科研小組，用各種先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)銀河系中央一個(gè)名為“射手座A *”的區(qū)域。他們都發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量非常大且看不見(jiàn)的天體：在不超過(guò)太陽(yáng)系的空間中聚集了約400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，使周邊恒星急速旋轉(zhuǎn)。這一開創(chuàng)性工作提供了迄今為止最令人信服的證據(jù)，即銀河系中央有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。經(jīng)過(guò)25年的悉心觀察研究，蓋茲的腦海里已經(jīng)有了“射手座A *”的區(qū)域一些最明亮恒星的詳細(xì)地圖。“我感覺(jué)所有這些恒星都像‘孩子一樣，知道并且能叫出它們的名字，但每年它們都會(huì)變得有點(diǎn)不同?！彼枋龅?，“這些‘孩子的走位越來(lái)越精確地呈現(xiàn)在我的眼前，可以確定，一個(gè)極其沉重、看不見(jiàn)的物體牽引著恒星以眩目的速度繞行。”

2019年4月10日，全球六地（比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國(guó)上海、中國(guó)臺(tái)北、日本東京、美國(guó)華盛頓）召開新聞發(fā)布會(huì)，發(fā)布人類歷史上第一張黑洞照片。它由全球8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡組合而成的“‘事件視界望遠(yuǎn)鏡”拍攝，用了約兩年的時(shí)間才“沖洗”出來(lái)。照片展示了一個(gè)中心為黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)，看上去有點(diǎn)像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“陰影”，明亮部分是繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤。被拍到的這個(gè)超大質(zhì)量黑洞位于一個(gè)名為M87的室女座超巨橢圓星系中央，質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍，距離地球大約5500萬(wàn)光年。在不久的將來(lái)，銀河系中央的黑洞“真容”可能也會(huì)顯露。

從喜歡跳舞到迷上太空

蓋茲小時(shí)候喜歡跳舞，甚至有一段時(shí)間夢(mèng)想成為一名芭蕾舞演員。但自從在電視上目睹了阿波羅登月后，探索宇宙的興趣倍增，盡管當(dāng)時(shí)她只有4歲。十幾歲的時(shí)候，她經(jīng)常在深夜望著窗外的天空思考宇宙問(wèn)題，暗暗下定決心要成為一名征服太空的物理學(xué)家。雖然當(dāng)時(shí)的航天領(lǐng)域幾乎是男性的天下，但蓋茲的母親并不認(rèn)為女兒的愿望是異想天開，而是支持她堅(jiān)持自己的夢(mèng)想，并鼓勵(lì)她學(xué)習(xí)科學(xué)，一步步實(shí)現(xiàn)自己的理想。她回憶說(shuō)“：我喜歡思考那些有悖論的問(wèn)題。例如時(shí)間的開始和結(jié)束是什么？宇宙的邊緣在哪里？在面對(duì)擁有130億年歷史的宇宙時(shí)，你如何看待人類微不足道的10萬(wàn)年前的存在？”

進(jìn)入高中后，蓋茲對(duì)數(shù)學(xué)情有獨(dú)鐘，與此同時(shí)遇到了一位教化學(xué)的女老師，她嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫼屠硇缘乃季S讓蓋茲領(lǐng)略到科學(xué)女性的人格魅力。蓋茲一直把這位高中唯一的女性科學(xué)課老師作為人生路上的第一個(gè)榜樣，對(duì)自然科學(xué)更加癡迷。如果說(shuō)母親是蓋茲夢(mèng)想的守護(hù)神，那么高中化學(xué)老師就是她最初前進(jìn)的標(biāo)桿?！芭酝瑯涌梢跃〝?shù)學(xué)和物理學(xué)這兩門美妙的學(xué)科，我希望能激勵(lì)其他年輕女性進(jìn)入科學(xué)領(lǐng)域。”蓋茲在獲獎(jiǎng)后的采訪中這樣說(shuō)，“這是一個(gè)有很多樂(lè)趣的領(lǐng)域，如果你對(duì)科學(xué)充滿熱情，那么你就還有很多事情可以做。”

蓋茲的數(shù)學(xué)成績(jī)一向很好，被麻省理工學(xué)院錄取后開始主修數(shù)學(xué)。為了離自己探索宇宙的夢(mèng)想更近，進(jìn)入大二后她將專業(yè)轉(zhuǎn)為物理。1987年，她獲得麻省理工學(xué)院的物理學(xué)學(xué)士學(xué)位， 1992年在美國(guó)著名航天員兼科學(xué)家格里·紐格鮑爾的指導(dǎo)下獲得加州理工學(xué)院博士學(xué)位。

蓋茲樂(lè)于將自己的研究成果分享給更多熱愛(ài)宇宙學(xué)的年輕學(xué)子，正是研究與教學(xué)之間的平衡才使事業(yè)如此充實(shí)。她感到有責(zé)任鼓勵(lì)對(duì)物理學(xué)感興趣的年輕女性為之奮斗。蓋茲發(fā)現(xiàn)，讓自己接觸更多人的最好方法就是教書。在加州理工學(xué)院讀博士時(shí)，她就請(qǐng)求學(xué)校破格讓自己教授大一物理課，理由是年輕的學(xué)生們沒(méi)有足夠的女性榜樣，而她的存在可以鼓勵(lì)年輕女性從事天體物理學(xué)的職業(yè)。她極高的學(xué)術(shù)造詣、旺盛的工作精力以及對(duì)學(xué)生的熱忱關(guān)心，贏得了同行的欽佩。學(xué)校向當(dāng)時(shí)還是學(xué)生的她頒發(fā)了加州理工學(xué)院教學(xué)獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)在以往只頒發(fā)給學(xué)校的正式教師。為了促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，蓋茲經(jīng)常在考試和講課中加入動(dòng)畫片，通過(guò)輕松的方式讓學(xué)生消除對(duì)物理的恐懼。除了教學(xué)，蓋茨還經(jīng)常分析計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)并撰寫建議書、發(fā)表研究結(jié)果。

蓋茲堅(jiān)持每年訪問(wèn)凱克望遠(yuǎn)鏡6次——這座位于太平洋夏威夷島上的天文望遠(yuǎn)鏡坐落在海拔4200多米、人跡罕至的莫納克亞山上，由加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州理工學(xué)院建造。它口徑達(dá)10米，一個(gè)晚上就可以觀測(cè)85顆恒星，極大地方便了科學(xué)家追蹤和尋找行星。

與游泳結(jié)下不解之緣

蓋茲除了在物理學(xué)研究上卓有建樹之外，還酷愛(ài)游泳。她是有著20多年歷史的UCLA布魯因大師游泳俱樂(lè)部的創(chuàng)始者之一，后成為加利福尼亞州的大師級(jí)游泳選手。蓋茲在美國(guó)兩屆奧運(yùn)選手埃里卡·斯特賓斯的指導(dǎo)下進(jìn)行訓(xùn)練，贊賞她作為教練所表現(xiàn)出的積極性和精湛技巧：“斯特賓斯強(qiáng)調(diào)游泳對(duì)保持身體和精神健康至關(guān)重要，鼓勵(lì)我們盡力而為。”

在接受采訪時(shí)蓋茲強(qiáng)調(diào)，布魯因大師游泳俱樂(lè)部及其成員是她一生的重要組成部分，這是使校園能夠以有趣且不尋常的方式與自身聯(lián)系的一件奇妙事情?！昂軜s幸的是，我結(jié)識(shí)的不僅有教職人員，還有社區(qū)中各種各樣的人。在游泳池，大家關(guān)心的只有速度。至于從事什么工作或研究，已經(jīng)全被抹去?！?/p>

這位諾獎(jiǎng)得主發(fā)現(xiàn)，游泳可以幫助自己強(qiáng)身健體、放松身心、保持清醒，使生活中的一切保持平衡。同時(shí)還有助于她從新的角度審視問(wèn)題，就像冥想那樣，有時(shí)不直接查看問(wèn)題就可以將其解決。“我們生活在這個(gè)小小的星球上，每天看到太陽(yáng)升起，意味著新的一天開始?！鄙w茲深情地說(shuō)，“我喜歡披著美麗的朝霞，興致勃勃地在UCLA施派克水上運(yùn)動(dòng)中心暢游。然后我離開游泳池，轉(zhuǎn)換身份，從游泳愛(ài)好者變成天文學(xué)研究者，繼續(xù)探索奧秘?zé)o窮的茫茫太空?！?p>