本刊資料室

1 2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉

2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半給予英國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家彭羅斯(Roger Penrose)，表彰他對(duì)黑洞相關(guān)理論的研究，論證黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)言的結(jié)果；另一半給予德國(guó)天體物理學(xué)家根策爾(Reinhard Genzel)和美國(guó)天文學(xué)家蓋茲(Andrea Ghez),表彰他們發(fā)現(xiàn)銀河系中心隱藏著的超大質(zhì)量天體．

Roger Penrose(圖1)，1931年出生于英國(guó)科爾切斯特．1957年從英國(guó)劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位．目前任職于劍橋大學(xué)．

Reinhard Genzel(圖2)，1952年出生于德國(guó)巴特霍姆堡．1978年從德國(guó)波恩大學(xué)獲得博士學(xué)位．目前任職于德國(guó)馬普地外物理學(xué)研究所．

Andrea Ghez(圖3)，1965年出生于美國(guó)紐約．1992年從美國(guó)加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位．目前任職于加州大學(xué)洛杉磯分校．是第4位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性科學(xué)家．

圖1 英國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家彭羅斯

圖2 德國(guó)天體物理學(xué)家根策爾

圖3 美國(guó)天文學(xué)家蓋茲

2 廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)

1915年，在狹義相對(duì)論建立的基礎(chǔ)上，愛因斯坦建立了廣義相對(duì)論并導(dǎo)出引力場(chǎng)方程

式中Rμ ν和R分別為描述時(shí)空特性的參數(shù)，gμ ν是時(shí)空基本度規(guī)張量，Tμ ν是物質(zhì)張量，k是比例系數(shù)．根據(jù)對(duì)引力場(chǎng)方程的研究，1918年愛因斯坦從理論上預(yù)言了引力波的存在．2015年9月14日首次在實(shí)驗(yàn)上測(cè)到了引力波，并因此而獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．

另外，更加基本的是，愛因斯坦提出的廣義相對(duì)論顛覆了傳統(tǒng)的時(shí)間和空間概念．在傳統(tǒng)的時(shí)空觀中，時(shí)空是與物質(zhì)無關(guān)的，而按廣義相對(duì)論，物質(zhì)將決定時(shí)空的屬性．據(jù)此，引力場(chǎng)方程還可推測(cè)黑洞的存在：大質(zhì)量的天體會(huì)使時(shí)空彎曲，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”的時(shí)空，這就是黑洞．

3 彭羅斯對(duì)黑洞的研究

羅格·彭羅斯的知識(shí)很豐富，“彭羅斯三角形”就是經(jīng)由彭羅斯父子得到推廣；此外，他還曾與霍金一起證明了著名的“奇性定理”，獲得過1988年沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)． 在愛因斯坦去世10年后，1965年1月，彭羅斯以引力場(chǎng)方程為基礎(chǔ)，用巧妙的數(shù)學(xué)方法論證了黑洞之形成． 彭羅斯事后回憶道，那是1964年的秋天，他還是伯克貝克學(xué)院的數(shù)學(xué)教授，正在與同事一道散步．正要穿越一條小徑時(shí)，他們暫時(shí)停止了交談，一個(gè)想法劃過彭羅斯的腦海．那天午后，他從大腦里翻出了一個(gè)念頭：“俘獲面”(trapped surface)．這就是彭羅斯苦尋多年的數(shù)學(xué)工具．俘獲面強(qiáng)制所有光指向一個(gè)中心，無論這個(gè)面是向內(nèi)還是向外彎曲．利用俘獲面，彭羅斯可以證明黑洞總是藏有一個(gè)奇點(diǎn)，一個(gè)時(shí)空結(jié)束的邊界．它的密度是無限的，所有已知的自然法則到此終止．彭羅斯用這種思維方法，寫成一篇開創(chuàng)性的論文，發(fā)表于1965年1月，至今仍被認(rèn)為是自愛因斯坦以來對(duì)廣義相對(duì)論最重要的貢獻(xiàn)．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)．黑洞引力非常強(qiáng)大，甚至連光線也無法逃逸，沒有光線射出的邊界稱為“事件視界”．直接窺視黑洞是不可能的——黑洞所有的秘密都藏在它的“事件視界”內(nèi)．但從“事件視界”之外，可以了解或推測(cè)“事件視界”內(nèi)的某些特性．

2019年4月10日，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”項(xiàng)目拍攝到人類歷史上第一張黑洞照片(圖4)．被拍到的這個(gè)黑洞位于一個(gè)名為M87的星系中央，其質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍．在不久的將來，銀河系中央的黑洞“真容”可能也會(huì)顯露．

圖4 人類歷史上第一張黑洞照片

4 根策爾和蓋茲發(fā)現(xiàn)銀河系中心隱藏著的超大質(zhì)量天體

早在1783年英國(guó)自然哲學(xué)家約翰·米歇爾(John Michell)就提出，“黑洞”(當(dāng)時(shí)所謂的“黑洞”與今天的黑洞相差甚遠(yuǎn))周圍應(yīng)該有著許多明亮的星體繞其旋轉(zhuǎn)，如果人們跟隨這些星體的軌跡，就能夠找到“黑洞”．而根策爾和蓋茲的研究應(yīng)用的正是這一古老的思路．

另一方面，100年前，美國(guó)天文學(xué)家哈洛·沙普利首先確定了銀河系的中心，即射手座(又稱人馬座)區(qū)域．但直到20世紀(jì)90年代，隨著更大、更先進(jìn)的天文觀測(cè)設(shè)備出現(xiàn)，科學(xué)家們才得以對(duì)銀河系中心進(jìn)行更系統(tǒng)的研究．

根策爾和蓋茲分別領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究小組，自20世紀(jì)90年代初以來，一直試圖透過塵埃云觀測(cè)銀河系中央一個(gè)名為“射手座A*”的區(qū)域．根策爾小組最初使用位于智利的新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡(NTT)，而后使用位于智利帕拉納爾山上的甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)．而蓋茲小組則使用位于美國(guó)夏威夷冒納凱阿山上的凱克天文臺(tái)．

近30年來，根策爾和蓋茲的團(tuán)隊(duì)不斷完善觀測(cè)技術(shù)，追蹤觀測(cè)區(qū)域內(nèi)眾多恒星中一批最亮恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡．其中一顆恒星在不到16年的時(shí)間內(nèi)完成了圍繞星系中心的完整運(yùn)行，科學(xué)家們得以繪制出它的完整軌道．

兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在數(shù)十年如一日的觀測(cè)后得出一致結(jié)論：銀河系中心存在一個(gè)質(zhì)量非常大且看不見的天體，在不超過太陽(yáng)系的空間中聚集了約400萬個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，使周邊恒星急速旋轉(zhuǎn)．對(duì)這個(gè)看不見的天體，目前唯一合理的解釋就是它是一個(gè)黑洞． 2019年4月10日，拍攝到人類歷史上第一張黑洞照片．由此可以相信，在不久的將來，銀河系中央的上述黑洞“真容”也將顯露．

5 有待研究的諸多問題

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)主席戴維·哈維蘭德在頒獎(jiǎng)儀式上表示，2020年獲獎(jiǎng)?wù)邆兊陌l(fā)現(xiàn)為研究致密和超大質(zhì)量天體開辟了新天地．但這些奇特的物體仍然提出了許多有待進(jìn)一步解答的問題．他說：“不僅有關(guān)于它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題，還有關(guān)于如何在緊鄰黑洞的極端條件下測(cè)試我們的引力理論的問題”，以及黑洞周圍的一些氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)問題、大質(zhì)量黑洞的形成問題、黑洞怎么從小變大的問題等等，都有待科學(xué)家們持續(xù)深入地開展研究．

6 有關(guān)基礎(chǔ)研究的思考

2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了非?；A(chǔ)的天體物理學(xué)研究工作：發(fā)現(xiàn)與認(rèn)識(shí)黑洞和銀河系中心超大質(zhì)量天體．這就是大家所說的從0到1的基礎(chǔ)研究．其研究成果不斷深化著人類對(duì)自然界和宇宙的認(rèn)識(shí)，是很多科學(xué)和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，應(yīng)該得到重視與支持．這種原創(chuàng)性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)一般不是“規(guī)劃”出來的，更多的源于科學(xué)家們強(qiáng)烈的好奇心．在這種強(qiáng)烈好奇心的支持下，經(jīng)過長(zhǎng)期堅(jiān)持與努力，最終有可能得出世界級(jí)成果，為國(guó)爭(zhēng)光．對(duì)于世界性的大國(guó)(我國(guó))，這應(yīng)該是不可忽視的一個(gè)方面.