创新之城
2020-10-06 20:54
2020年诺贝尔物理学奖今天揭晓，牛津大学教授罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、加州大学伯克利分校马普地外物理研究所教授雷哈德·甘泽尔（Reinhard Genzel）和加州大学洛杉矶分校安德里亚·格兹（Andrea Ghez）荣膺桂冠。其中，研究黑洞的理论物理学家彭罗斯获得一半奖金，另两位观测、计算出银河系中心超大质量黑洞的天体物理学家分享另一半奖金。
黑洞堪称宇宙中最神秘的天体，这三位科学家如何增进了人类对黑洞的认识？解放日报·上观新闻记者第一时间采访了上海的科学家和科普作家。
人类无法直接观测黑洞
著名科普作家、中科院国家天文台客座研究员卞毓麟介绍，黑洞是科学家根据广义相对论做出的一个重要推测，1969年由美国物理学家约翰·惠勒命名。这个推测已被天文学观测证实。也就是说，黑洞是真实存在的，是宇宙中的一种天体。
之所以称其为“黑洞”，是因为无法用光或其他形式的电磁波观测它，任何发射到黑洞的光都会被吸收，而不会反射回来。这是什么原因呢？让我们从地球引力讲起。人在地面上向天空抛射一个物体，无论用多大力，物体速度有多快，总会掉落下来，这就是引力的作用。然而，当一个物体（如航天器）的飞行速度达到11.2公里/秒，就可以摆脱地球引力的束缚，飞离地球进入行星际空间。这个脱离地球引力场的最小速度称为“第二宇宙速度”，也称“逃逸速度”。每个天体的“逃逸速度”是不同的，如太阳的逃逸速度约为618公里/秒。
那么黑洞的逃逸速度是多少呢？答案是：大于光速。宇宙中光速最快，这意味着，包括光在内的任何物质和辐射只要进入黑洞的“视界”（引力场的一个封闭边界），都无法逃脱它的“魔爪”。因此，黑洞“黑”到了极致，人类无法直接观测。
然而，黑洞的存在有其蛛丝马迹。一种迹象，是附近星球的运行轨迹异常。因为黑洞的引力惊人，在其“视界”外附近的星球，势必受到明显影响。第二种迹象，是强烈的X射线源。宇宙中遍布气体、尘埃等星际物质，它们在即将进入黑洞“视界”时，会发出强烈的X 射线。
彭罗斯更像是一位数学家
“写《时间简史》的霍金和彭罗斯是同一领域的哥们儿，霍金对黑洞的研究成就不亚于彭罗斯。”在华东师范大学物理与电子科学学院院长、英国物理学会会士程亚教授看来，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。
2019年公布的人类历史上首张黑洞照片 新华社发
程亚告诉记者，从2017年宇宙中的引力波获奖开始，2019年的诺贝尔物理学奖也属于天文，科学界预测今年诺奖不会再给天文学家。因为，连年为同一领域发奖，在其他学科的诺奖中是非常少见的。然而，一些足够新奇、足够震撼的科学事件，总会打破“风水轮流转”的颁奖规律，让理论物理学家“不必久等”。比如，同样被爱因斯坦广义相对论预言的引力波，多年之后被激光干涉引力波天文台实测到，就直接将其送上了领奖台。同样，追溯至20世纪50年代，李政道、杨振宁提出宇称不守恒理论不久，便很快被吴健雄用物理实验验证成功，于是也成就李、杨二人在而立之年就拿下了当年的诺奖，也创造了从理论发现到获颁诺奖的最短时间纪录之一。
这一次，这种诺奖的“决定性证据”，正是去年各国科学家通过相当于地球口径的超级射电望远镜，以“昆虫万千复眼”的方式合成出遥远黑洞的可见照片，这才让人类真真切切地“看见”黑洞。彭罗斯，霍金等黑洞学家，等得太久。半个多世纪后，89岁高龄的彭罗斯才亲见自己的理论证明化为实践证据。
程亚告诉记者，彭罗斯更像是一位数学家，他为多解的广义相对论方程求解。这个足以颠覆世界观的方程式，被众多数理学家演绎和推导，从各种参数到各式系数，设定方程的不同变量，将得出不同的解，也就是关于宇宙的不同认知。20世纪60年代，彭罗斯在宏观理论基础上，充满逻辑而又精准地解出了一个与黑洞关联的物理世界，如诺贝尔颁奖词所言，“发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测”。
破解难题计算出黑洞质量
中科院上海天文台副台长袁峰研究员是黑洞天体物理学家，参与了人类首张黑洞照片的捕获工作。“我和甘泽尔、格兹算是小同行，他俩是做黑洞观测的，我是做黑洞理论研究的。”袁峰告诉记者，十多年前，德国人甘泽尔和美国人格兹领导各自团队，利用主动光学技术，分别观测到了银河系中心的超大质量黑洞，并计算出了它的质量——约为太阳质量的400万倍。这是人类历史上第一次获得星系中心存在超大质量黑洞的确切证据，堪称黑洞研究的一个里程碑。
黑洞可分为三类。微型黑洞由于尺度小、稳定性差，难以观测。稳定黑洞分为恒星级黑洞和超大质量黑洞。前者的质量一般是太阳质量的几倍至几十倍，后者的质量高达太阳的几十万至几十亿倍。天体物理学家推测，每个星系的中心都存在一个超大质量黑洞。但如何观测到它们，一直是个难题。
由于黑洞“黑”到了极致，人类无法直接观测，而是要用各种间接观测方法。甘泽尔和格兹采用的间接观测方法都是通过大口径光学望远镜，观测银河系中心区域恒星的运行轨迹。因为黑洞引力惊人，在其“视界”外附近的恒星，其运行轨迹会受到明显影响。
这种观测方法的最大难点，是地球的大气层始终有不稳定的运动，宇宙远处的光线传到地球上时，形成的光学图像会因为大气层的干扰而变得模糊，这被称为“湍流效应”。为此，甘泽尔和格兹都利用主动光学技术，成功消除了这种效应，从而观测到银河系中心区域恒星的精准轨迹。获得轨迹数据后，他们就根据开普勒定律计算出了银心黑洞的质量。随着这个质量相当于400万个太阳的“巨无霸”天体现身，人类对黑洞乃至整个宇宙的探索又迈出了重要一步。
