長文讀懂2020諾貝爾物理學獎:黑洞和銀河系最黑暗的秘密
2020年10月06日18:56

  專題:2020年諾貝爾獎

  新浪科技訊 北京時間10月6日消息,2020年諾貝爾物理學獎揭曉:一半授予Roger Penrose,獲獎原因“發現廣義相對論預測了黑洞的形成”;另一半授予Reinhard Genzel和Andrea Ghez,獲獎原因“發現銀河系中心的超大緻密物體”。三位物理學家分享了今年的諾貝爾物理學獎,因為他們發現了宇宙中最奇異的現象之一——黑洞。

  黑洞和銀河系最黑暗的秘密

  三位科學家因為他們對宇宙中最奇特現象之一——黑洞的研究,而共享今年的諾貝爾物理學獎。Roger Penrose發明了巧妙的數學方法,來探Sony Ericsson因斯坦的廣義相對論。他的研究揭示了廣義相對論如何預測了黑洞的形成。這些時空和空間的怪物會捕獲一切進入其中的東西。沒有任何東西,甚至是光,都無法逃離黑洞。

  Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自帶領著一群天文學家,從上世紀九十年代初就開始研究銀河系的中心區域。隨著精確度的提高,他們成功繪製了離銀河系中心最近的最亮恒星的軌道。兩組研究人員都發現,有一種看不見但很重的物體,促使這些恒星在周圍轉圈。

  這個看不見的物質大約有400萬個太陽質量那麼重,但體積卻和我們的整個太陽系差不多。是什麼使得銀河系中心附近的恒星以如此驚人的速度旋轉呢?根據當前的引力理論,可能的解釋只有一個:那就是超大質量黑洞。

  超越愛因斯坦的突破

  廣義相對論之父愛因斯坦本人曾經也不認為黑洞會真的存在。但是,在愛因斯坦去世後十年,英國理論學家Roger Penrose證明,黑洞可以形成,並描述了它們的特徵。黑洞的中心隱藏著一個奇點,所有已知自然法則在這裏都不再適用。

  為了證明黑洞的形成是一個穩定的過程,Penrose需要擴展用來研究相對論的方法,即使用新的數學概念來解決這一理論的問題。Penrose的突破性文章發表於1965年1月,至今仍被認為是自愛因斯坦以來,對廣義相對論的最重要貢獻。

  引力牢牢掌控整個宇宙

  黑洞大概是廣義相對論的最奇怪結果。當愛因斯坦在1915年11月提出他的這個理論時,它顛覆了此前所有的時空概念。該理論為理解引力提供了全新的基礎。引力在最大程度上塑造了宇宙。自此之後,廣義相對論為所有的宇宙研究提供基礎,並且在我們最常用的導航工具——GPS中,也有實際應用。

  愛因斯坦的理論描述了引力如何掌控著整個宇宙中的一切。引力讓我們站在地球上,引力也控制著行星繞太陽運行的軌道以及太陽繞銀河系運行的軌道。引力也促使恒星從星際雲中的誕生,而最終恒星又在引力塌縮下死去。大質量物質會彎曲空間並減慢時間;極大質量物質甚至可以切斷和包裹空間——形成黑洞。

  第一個描述黑洞的理論出現於廣義相對論發表後的數週。儘管該理論的數學方程式極其複雜,但德國天體物理學家Karl Schwarzschild仍為愛因斯坦帶來一個解決方案,解釋大質量物質如何彎曲時空。

  後來的研究表明,黑洞一旦形成,它會被事件視界包圍,該事件視界如同面紗一般圍繞黑洞中心的物質運動。黑洞永遠隱藏在其事件視界之內。質量越大,黑洞及其視界就越大。對於相當於太陽質量的物質,事件視界的直徑大約為三公里;而相當於地球質量的物質,事件視界的直徑則只有九毫米。

  超越完美的解

  “黑洞”的概念在許多文化表達形式中都找到了新的含義,但對物理學家來說,黑洞是巨型恒星演化的自然終點。20世紀30年代末,物理學家羅伯特·奧本海默(Robert Oppenheimer)首次計算出了一顆大質量恒星的劇烈坍縮。奧本海默後來領導了製造出第一顆原子彈的“曼哈頓計劃”(Manhattan Project)。當質量為太陽許多倍的巨型恒星耗盡燃料時,它們首先爆發成為超新星,然後坍縮成密度極高的殘骸,其質量之大,以致於引力能將一切都拉進內部,甚至包括光。

  早在18世紀末,英國哲學家、數學家約翰·米歇爾(John Michell)和法國著名科學家皮埃爾·西蒙·德·拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace)就提出了“暗星”(dark star)的概念。兩人都認為,天體的密度可以大到讓人看不見,因為光的速度也不足以逃脫它們的引力。

  一個多世紀之後,愛因斯坦發表了廣義相對論,該理論中一些方程的解描述的正是這樣的暗星。直到20世紀60年代,這些解都被認為是純粹的理論推測,描述了恒星及其黑洞呈完美的圓形和對稱的理想狀態。但是,宇宙中沒有什麼是完美的,而Roger Penrose首先成功地為所有坍縮物質找到了一個現實的解。

  類星體之謎

  1963年,隨著宇宙中最亮的物體——類星體(quasar)——的發現,黑洞是否存在的問題再次浮出水面。在近十年的時間里,天文學家一直對來自神秘來源(如室女座的3C273)的無線電射線感到困惑。可見光輻射最終揭示了該類星體的真實位置——3C273距離地球如此之遠,以致於這些射線在超過10億年的時間里都在朝著地球傳播。

  這些輻射源離我們如此之遠,其強度甚至相當於幾百個星系發出的光。這些天體被命名為“類星體”。天文學家很快就發現了更加遙遠、在宇宙早期就已經發出輻射的類星體。這種令人難以置信的輻射來自哪裡?要在類星體有限的體積內獲得如此多的能量,只有一種方法——從墜入巨大黑洞的物質中獲取。

  俘獲面

  黑洞是否能在現實條件下形成是困擾Roger Penrose的一個問題。他後來回憶道,答案出現在1964年秋天,當時他正和一位同事在倫敦散步。Penrose當時是伯克貝克學院的數學教授。當他們暫時停下交談,穿過一條小街時,一個想法突然出現在他的腦海里。那天下午晚些時候,他回憶起了這個想法,也就是被他稱為“俘獲面”(trapped surface)的概念。這是他一直想要尋找的關鍵,也是描述黑洞所需要的重要數學工具。

  一個俘獲面會迫使所有光線指向一個中心,不管表面是向外還是向內彎曲。利用束縛表面,Penrose證明黑洞總是隱藏著一個奇點,即一個時間和空間的邊界。奇點的密度無限大,但到目前為止,還沒有理論能夠解釋這一物理學中最奇特的現象。

  在Penrose對奇點定理的證明進行完善時,俘獲面成為一個中心概念。在如今有關彎曲宇宙的研究中,他所引入的拓撲方法發揮著重要的作用。

  通向時間盡頭的單行道

  一旦物質開始塌縮並形成俘獲面,塌縮就再也沒有可能停止。正如物理學家兼諾貝爾獎得主Subrahmanyan Chandrasekhar講述的故事中所言,沒有回頭路。他的這個故事講的是蜻蜓和其生活在水面下的幼蟲。當幼蟲準備好展開翅膀時,它向周圍的同伴承諾,會回來向它們講述水面上的大千世界。但是一旦幼蟲真的衝出水面,如蜻蜓一般飛舞后,它就再也回不去了。水中的幼蟲永遠無法聽到水面之外大千世界的故事。

  同樣地,所有物質也只能沿一個方面穿越黑洞的事件視界。然後,時間取代空間,所有可能的路徑都指向內部,時間的流逝將所有事物推向不可避免的終點——奇點。如果你穿過事件視界,掉入一個超大質量黑洞,你不會有任何感覺。但是從黑洞的外邊,沒有人會看到你跌入其中,而你的旅程會一直繼續。在物理學定律範圍內,窺視黑洞內部是不可能的;黑洞的一切秘密都隱藏在它們的事件視界之內。

  未完待續 持續更新。。。。。。

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