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为霍金感到遗憾!其论文重要合作伙伴获今年诺贝尔物理奖

  腾讯科技文/ 乔辉羽佳

  10 月 6 日,2020 年诺贝尔物理学奖授予罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)、赖因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)和爱德莉亚·盖兹(Andrea Ghez),以表彰前者“发现黑洞形成是广义相对论的一个有力预测”和后两者“发现我们星系中心的超大质量的致密天体”。

霍金和彭罗斯

  罗杰·彭罗斯,1931 年出生于英国科尔切斯特。1957 年毕业于英国剑桥大学。现为英国牛津大学教授。霍金是彭罗斯论文的重要合作伙伴,如果霍金活着,大概率也能拿诺奖。2015 年人类首次探测到黑洞合并发出的引力波。2019 年人类首次拍摄到遥远黑洞的照片,这一切也加速了物理诺奖授予黑洞研究的步伐。

2019 年人类公布首幅黑洞照片

2015 年人类首次探测到黑洞合并发出的引力波

  我们先看看今年的诺奖成果,然后再谈一例彭罗斯和霍金合作的重要工作。

  黑洞和银河系的至暗秘密

  上述三位科学家,对宇宙中最奇异的现象之一,即黑洞,有了新的发现,因此获得今年的奖项。罗杰·彭罗斯的研究表明,广义相对论预测了黑洞的形成。赖因哈德·根策尔和爱德莉亚·盖兹发现,在银河系中心,有一个看不见的、极其重的物体,支配着恒星轨道。而目前,对该物体唯一已知的解释就是超大质量黑洞。

  罗杰·彭罗斯使用巧妙的数学方法,证明阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论对应着黑洞。黑洞能捕获附近的所有东西,甚至光也无法逃脱,而爱因斯坦自己并不相信黑洞真的存在。

  1965 年 1 月,也就是爱因斯坦去世十年后,罗杰·彭罗斯证明了黑洞确实可以形成,并对黑洞进行了详细描述。在黑洞的核心,隐藏着一个奇点,在那里,一切已知的自然法则都会停止。人们认为,彭罗斯的开创性论文,是自爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献。

观测表明,银河系中心存在一颗巨大黑洞

  赖因哈德·根策尔和爱德莉亚·盖兹,两者各自领导着一组天文学家,从 20 世纪 90 年代初开始,就关注银河系中心一处名为人马座A*的区域。他们越来越精确得绘制出最靠近银河系中心的最亮恒星的轨道。这两组研究团队的测量结果一致,都发现了一个非常重的、看不见的物体在吸引着一团恒星,使恒星以极快的速度运行。在一个不比太阳系大的区域里,聚集的物质大约为 400 万个太阳的质量。

  根策尔和盖兹开发出新方法,利用世界上最大的望远镜,透过星际气体和尘埃组成的巨大云团,看到银河系的中心。他们改进了新技术,拓展了技术的极限,以解决地球大气造成的影响。他们还设计独特仪器,并致力于长期研究。他们的工作具有开创性,证明银河系中心存在一个超大质量黑洞,这是迄今为止最令人信服的证据。

  “今年获奖者的发现,为致密和超大质量物体的研究开辟出新天地。但关于这些奇异的物体,仍有许多问题等待解答,而这些问题则能激发未来研究的积极性。这些问题既涉及其内部结构,还涉及如何在黑洞附近的极端条件下检验我们的引力理论,”诺贝尔物理学奖委员会主席大卫·哈维兰(David Haviland)说道。

  图注:黑洞的横截面视图。当一颗大质量恒星在自己的引力下坍缩时,会形成一个黑洞,这个黑洞非常重,以至于能捕获经过其事件视界的所有东西,甚至连光都无法逃脱。在视界上,时间取代空间,并且只指向前方。时间的流动把一切都带向黑洞内最远的一个奇点,在那里,密度无限,时间终结。光锥显示了光线在时间上的前后路径。当物质坍缩形成黑洞时,穿过黑洞视界的光锥会向内转向,朝向奇点。外部观察者永远不会看到光线到达视界。

图注:银河系俯视示意图。银河系直径约 10 万光年,形状像一个扁平圆盘,其旋臂由气体、尘埃和几千亿颗恒星组成。我们的太阳就是其中之一。

图注:离银河系中心最近的恒星。这些恒星的轨道是目前为止最令人信服的证据,能证明在人马座A*中隐藏着一个超大质量黑洞。据估计,该黑洞区域不比太阳系大,但质量约为 400 万个太阳质量。

  彭罗斯和霍金在奇性定理方面的合作

  1970 年,霍金和彭罗斯证明,我们的宇宙在大爆炸的开端有一个时空奇点。

  1916 年,在爱因斯坦广义相对论刚刚提出后,德国数学家、天文学家史瓦西(K.Schwarzschild)就得到了爱因斯坦场方程的第一个严格解,即史瓦西外部解或史瓦西度规,也就是数学意义上的黑洞。然而,现实中是否存在黑洞呢?当时科学界是存在很大争议的。

  1939 年,美国“原子弹之父”奥本海默(J.Robert Oppenheimer)及其合作者研究了完全球对称、密度均匀,没有旋转,没有压力的理想恒星的坍缩过程。在这种完全理想的前提下,恒星的质量大到一定程度,黑洞的形成是不可避免的,从而形成与外界宇宙隔离的视界(Horizon)。那么,黑洞中心会形成什么呢?奥本海默并没有给出任何解释。但他的方程却暗示着,在黑洞的中心会形成体积无限小、密度无限大的奇点(Singularity)。

  然而,奥本海默的模型太简单了,现实中恒星多少都有旋转,不可能完全不受干扰保持完美球对称。因此,任何非完美的恒星在坍缩的过程中,存在发生反弹的可能性,不会在中心形成奇点。关于这一点,前苏联物理学家栗弗席兹(Lifshitz)曾给出过证明。

  1964 年,英国数学物理学家彭罗斯(Roger Penrose)利用拓扑学的方法证明,无论有什么干扰,在坍缩黑洞的中心会不可避免地形成奇点。

  1970 年,霍金和彭罗斯证明,我们的宇宙在大爆炸的开端有一个时空奇点。

  1970 年,霍金和彭罗斯证明了,在广义相对论的框架下,我们的宇宙在大爆炸的开端也有一个时空奇点,如果有一天再发生坍缩,必然在大挤压中再次形成奇点。这就是著名的奇性定理(singularity theorems)。

  三位获奖者简介

  罗杰·彭罗斯,1931 年出生于英国科尔切斯特。1957 年毕业于英国剑桥大学。现为英国牛津大学教授。

  赖因哈德·根策尔,1952 年生于德国的巴特洪堡。1978 年在德国波恩大学获博士学位。现为马克斯·普朗克外层物理研究所主任,兼任美国加州大学伯克利分校教授。

  安德莉亚·盖兹,1965 年出生于美国纽约。1992 年在美国加州理工学院获博士学位。现为美国加州大学洛杉矶分校教授。

  奖金总额

  奖金总额为 1000 万瑞典克朗(约合 760 万人民币),其中一半奖给罗杰·彭罗斯,另一半奖给赖因哈德·根策尔和安德莉亚·盖兹。

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