2020年诺贝尔物理学奖仍然聚焦天体物理学领域,带我们去发现宇宙探索的又一“高光时刻”——黑洞和银河系“最深处的秘密”。
奖金一半授予英国科学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),以表彰他“发现黑洞形成是对广义相对论的有力预测”;另一半被授予德国科学家莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和美国科学家安德里亚·格兹(Andrea Ghez),以表彰他们在“黑洞研究及发现银河系中央的超大质量致密天体”方面的贡献。
很多人一直疑惑,为什么霍金没有获得诺贝尔物理学奖。
也有人说,如果2018年去世的霍金,等到了2019年公布的人类历史上首张黑洞照片,那么2020年诺贝尔物理学奖,就很可能与彭罗斯分享这一殊荣。毕竟,诺贝尔奖只奖励在世的人。更重要的是,当年霍金的黑洞蒸发(也称霍金辐射)还没有被观测或者被实验所证实。诺贝尔奖不会给一个未被观测或未被证实的理论颁奖,所以直到去世,霍金也没有得奖。
(这次获奖的罗杰·彭罗斯是霍金的好友,著名的奇点理论,就是由他和霍金一起提出的。这些理论都围绕着一个事物——黑洞。)
彭罗斯的贡献:用数学方法证明黑洞。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。值得一提的是,爱因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。
在爱因斯坦去世10年后,彭罗斯用巧妙的数学方法论证了黑洞可以形成,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”。用几何的语言来说,这是几何上的奇点。而在普通人看来,这是毁灭之点,因为越是靠近这个点,引力产生的拉扯力越大,最终归于毁灭。
从物理学的角度来看,在这个点上,所有的物理学定律不再适用。
根泽尔和格兹的贡献:天文观测发现黑洞。自20世纪90年代初以来,根泽尔和格兹各自领导着一组天文学家,他们一直专注于银河系中心射手座A*的区域。近30年来,根泽尔和格兹在遥远的银河系中心恒星混杂的环境中观测恒星。根泽尔和格兹使用世界上最大的望远镜,开发出新的方法来观察星际气体和尘埃的巨大云层,直至银河系的中心。
他们不断开发和完善技术,配备了更加灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学器件,使图像分辨率提高了千倍以上。他们能够更精确地确定恒星的位置,追踪观测区域内众多恒星中30颗最亮恒星的运动轨迹。两个研究团队在数十年如一日的观测后得出一致结论:银河系中心存在一个质量非常大且看不见的天体,它的拉动造成恒星的混乱,使它们以眩晕的速度奔波。对这个看不见的天体,目前唯一合理的解释就是它是一个黑洞。
诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德在颁奖仪式上表示,今年获奖者们的发现为研究致密和超大质量天体开辟了新天地。但对这些奇特的物体仍然提出了许多有待进一步解答的问题,并激发未来的研究。他说:“不仅有关于它们内部结构的问题,还有关于如何在紧邻黑洞的极端条件下测试我们的引力理论的问题。”