2020年诺贝尔物理学奖花落“宇宙最黑暗的秘密”！
发布时间:2021-03-10 | 发布者： 东东工作室 | 浏览次数： 次交汇点讯 6日下午，2020年诺贝尔物理学奖授予英美德三位科学家，奖金的一半授予英国科学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose），另一半共同授予德国科学家莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德烈亚·盖兹（Andrea Ghez）。第一位在黑洞研究中验证了广义相对论，而后两者因对于银河系中心超大质量物体的研究而获奖。
正如颁奖人所表示，今年的奖项关乎“宇宙最黑暗的秘密”——三位获奖人都因在黑洞研究方面所做的卓越贡献而获奖。“黑洞”凭何吸走了今年诺贝尔物理学奖奖金？记者联系了南京大学天文与空间科学学院教授李志远、南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉、南京大学数学系教授郭学军为我们科普解读。
最短十年一周期，窥得“宇宙的秘密”
“这三位获奖者都至少在该领域有30年的耕耘，在最近10年才慢慢到开花结果的时候。罗杰·彭罗斯的研究更远远超过三十年。”李志远告诉记者，“黑洞”获奖非常令人惊叹，但又在情理之中。诺奖级别的成果往往都是耕耘数十年的重大成果和发现。“比如2019年拍下黑洞的‘事件视界望远镜’比较轰动，但也没有到拿奖的时候。”
李志远告诉记者，以这三位当中最年轻的美国科学家安德烈亚·盖兹为例， 1992年博士毕业于美国加州理工学院后，到加州大学做助理教授开始就从事黑洞研究。德国科学家莱因哈德·根泽尔就更早一些进入该领域，在美国著名的马克斯·普朗克地外物理所研究所开展工作。“这两位科学家各自领导着一个天文学家小组，自20世纪90年代初以来，他们一直专注于银河系中心一个叫做人马座a*的区域，所用的都是10米级大口径、探测能力最强的望远镜，监测围绕黑洞运转的一些恒星，绘制出恒星的运行轨道。”
“这样的轨道最短的周期也在十几年左右，所以你必须要监测十几年以上。”李志远告诉记者，30年间轨道周期最短的已经走了将近两圈，最外面的恒星轨道刚刚或是接近走完一圈，所以距离银河系中央最亮恒星的轨道已经被越来越精确地绘制出来。
李志远说，这两组人的测量结果一致，在这些恒星运转的轨道上，都发现了一个共同的“沉重”焦点。大约400万个太阳质量聚集在一个不比我们的太阳系大的区域，牵引着恒星以令人眩晕的速度四处奔波。“这个超大质量物体，为我们提供了迄今为止黑洞在宇宙中真实存在的最有说服力的证据，这是一项开创性的工作。”
利用世界上最大的望远镜，两位科学家也发明了一种观测方法，“因为地面上的望远镜穿过大气层看宇宙，需要克服大气的湍流，他们通过激光束来实时测定湍流的效应，并某种程度上抵消其影响，达到望远镜衍射极限，改进了观测技术并致力于长期研究。” 李志远说。
巧妙数学方法拓展广义相对论，预测黑洞存在
莱因哈德·根泽尔和安德烈亚·盖兹因“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”而被授予诺贝尔物理学奖。而罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）被授予2020年诺贝尔物理学奖的理由是“发现黑洞形成是广义相对论的可靠预测。”
南大天文与空间科学学院教授王祥玉告诉记者，作为牛津大学数学系名誉教授的彭罗斯是霍金多年的好友，在业界眼里，他与其说是一位物理学家，不如说是一位数学家和数学物理学家，他对物理的最大的贡献都和数学相关。
提出“预见”广义相对论的爱因斯坦并不相信黑洞的存在，但彭罗斯通过严谨的数学逻辑证明，爱因斯坦的广义相对论能够有力地预测黑洞的形成。
彭罗斯建立的一个数学定理表明，基于几个合理的假设（通过使用当时大部分物理学家并不熟悉的整体/拓扑技术），一颗坍缩中的、质量过大的恒星最后会在时空中坍塌形成一个奇点，并在其周围形成一个封闭的空间，能够把光也束缚在其中。在这个中心的奇点处，密度和时空曲率都被预期会变得无穷大的地方——为我们提供了现在称之为“黑洞”的物体的一个图像。爱因斯坦的经典广义相对论将不再适用，黑洞可以形成。
在2019年，天文学家终于第一次直接捕获了黑洞的照片，黑洞的存在被直接证明。正因为彭罗斯的突出贡献，他获得了今年的诺奖。
南京大学数学系教授郭学军曾在2009年3月份，接受华英文教基金的资助，在美国哥伦比亚大学数学系访学期间,听过罗杰·彭罗斯的讲座。郭学军告诉记者，彭罗斯还是一位科学明星，他画过不可能的“彭罗斯阶梯”，还有“彭罗斯瓷砖”，能够以永不重复的方式铺满在无穷平面上。以色列晶体学家丹尼尔·谢赫特曼对彭罗斯瓷砖进行了了深入的研究，在晶体中发现了类似的现象，2011年还获得了诺贝尔奖。
“彭罗斯演讲的一开始就与众不同, 居然是手写的纸张, 然后使用实物投影。我当时很惊讶，世界级的科学家怎样会用这么原始的方式来展示他的成果?”郭学军回忆，彭罗斯的报告非常精彩，“但是我对他的称之为‘大爆炸’的理论不太懂，只能感觉到是一个很有意义的理论。没想到今天他获得了诺贝尔物理奖。”
南大与安德烈亚·盖兹开展了合作
在三位获奖者中，安德烈亚·盖兹格外引人注目，这位美国加州大学洛杉矶分校物理与天文学系的教授，成为继玛丽·居里（1903年）、玛丽亚·格佩特-梅耶（1963年）和唐娜·斯特里克兰（2018年）之后，第四位荣获诺贝尔物理学奖的女性。
李志远告诉记者，在美国有段时间他曾在世界知名的银河系中心组工作，安德烈亚·盖兹是核心成员和领导者之一。“近十年我们与那边一直保持学术交流，今年我们就有一篇论文与安德烈亚·盖兹那边合作。”当问到对她的评价时，李志远说，安德烈亚·盖兹首先是一位非常严肃的科学家，她发论文的周期都很长，但每一篇论文都是业界的标杆，可以说是30年将一个事情做到极致，她也很少去考虑其他方向的问题研究。
四年中获得三次奖，很多人戏称天文学成了最大赢家。李志远说，这对于黑洞研究者包括天体物理学者来说，当然是一个激励，但其实黑洞的挑战性和吸引力一直很大。以视界望远镜来说，它第一个目标就是银心的黑洞，“虽然首张照片是恒星M87，但主要是因为观测角度和数据分析相对容易，未来我们可以期待银心黑洞的照片的发布。”李志远表示。
正如诺贝尔物理学委员会主席大卫·哈维兰所说，“今年获奖者的发现为紧凑和超大质量物体的研究开辟了新天地。但是，这些奇异的物体仍然提出了许多问题，这些问题需要解答，并激励了未来的研究。”
交汇点记者 杨频萍
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