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2020年諾貝爾物理學獎：發現廣義相對論預測了黑洞的形成和銀河系中心的超大致密物體

時間:2025-11-24 18:18:38來源：骨軟筋酥網作者:知識

2020年諾貝爾物理學獎：發現廣義相對論預測了黑洞的年諾形成和銀河系中心的超大致密物體

2020年諾貝爾物理學獎：發現廣義相對論預測了黑洞的形成和銀河系中心的超大致密物體
（神秘的地球uux.cn報道）據俄羅斯衛星網：當地時間10月6日，瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松宣布，物理將2020年諾貝爾物理學獎一半授予羅杰·彭羅斯（Roger Penrose），學獎相對形成天津紅橋約炮（約車模教練空姐）vx《356+2895》提供外圍女上門服務快速選照片快速安排不收定金面到付款30分鐘可到達“因為發現黑洞的發現形成是對廣義相對論的有力預測”。
另外一半授予萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德里亞·格茲（Andrea Ghez），廣義因為在銀河系中心發現了一個超大質量的論預致密天體，總獎金為1000萬瑞典克朗（約合760萬人民幣）。測黑
羅杰‧彭羅斯，洞的的超英國數學物理學家與牛津大學數學系W. W. Rouse Ball名譽教授。和銀河系他在數學物理方面的中心工作擁有高度評價，特別是密物對廣義相對論與宇宙學方面的貢獻。
萊因哈特·根策爾，年諾德國天體物理學家，物理1978年在德國波恩大學獲得博士學位。學獎相對形成現為德國馬克斯普朗克地外物理研究所所長，發現美國加州大學伯克利分校教授。
安德烈婭·蓋茲，生于1965年，美國天文學家，加州大學洛杉磯分校物理學和天文學教授。
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（神秘的地球uux.cn報道）據新浪科技：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致密物體”。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。
Roger Penrose發明了巧妙的數學方法來探索愛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。
獲獎人介紹：
Roger Penrose，1931年出生于英國的科爾切斯特。1957年畢業于英國劍橋大學。現為英國牛津大學教授。
Reinhard Genzel，1952年生于德國的巴特洪堡。1978年在德國波恩大學獲得博士學位。現為德國馬克斯普朗克地外物理研究所所長，美國加州大學伯克利分校教授。
Andrea Ghez，1965年出生于美國紐約。1992年畢業于美國加州理工學院，天津紅橋約炮（約車模教練空姐）vx《356+2895》提供外圍女上門服務快速選照片快速安排不收定金面到付款30分鐘可到達獲博士學位。現為美國加州大學洛杉磯分校教授。
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（神秘的地球uux.cn報道）據新浪科技：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致密物體”。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，來探索愛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。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，他們成功繪制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400萬個太陽質量那么重，但體積卻和我們的整個太陽系差不多。是什么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，在愛因斯坦去世后十年，英國理論學家Roger Penrose證明，黑洞可以形成，并描述了它們的特征。黑洞的中心隱藏著一個奇點，所有已知自然法則在這里都不再適用。
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的突破性文章發表于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。自此之后，廣義相對論為所有的宇宙研究提供基礎，并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云中的誕生，而最終恒星又在引力塌縮下死去。大質量物質會彎曲空間并減慢時間；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于廣義相對論發表后的數周。盡管該理論的數學方程式極其復雜，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。
后來的研究表明，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。對于相當于太陽質量的物質，事件視界的直徑大約為三公里；而相當于地球質量的物質，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。奧本海默后來領導了制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，然后坍縮成密度極高的殘骸，其質量之大，以致于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。
一個多世紀之后，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，宇宙中沒有什么是完美的，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，以致于這些射線在超過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，其強度甚至相當于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里？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。他后來回憶道，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
一旦物質開始塌縮并形成俘獲面，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。但是一旦幼蟲真的沖出水面，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。然后，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。在物理學定律范圍內，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。
黑洞控制恒星的路徑
黑洞的形成（左上）黑洞橫截面當一顆巨大的恒星在自身引力作用下塌縮時，它會形成一個質量很大的黑洞，捕獲穿越其事件視界的一切東西。哪怕是光都無法逃離黑洞。在事件視界中，時間取代空間，所有路徑向內指。時間流將一切帶向黑洞最深處的奇點——在這里，密度是無限的，時間也止于此。（右下）光錐表示光線在時間上向前和向后的路徑。當物質塌縮并形成黑洞時，穿過黑洞事件視界的光錐將向內朝奇點運動。外部的觀察者永遠不會真正看到光線到達事件視界。他們看到的，只是光線接近事件視界。之后的就沒有人能看到。　　黑洞的形成（左上）黑洞橫截面當一顆巨大的恒星在自身引力作用下塌縮時，它會形成一個質量很大的黑洞，捕獲穿越其事件視界的一切東西。哪怕是光都無法逃離黑洞。在事件視界中，時間取代空間，所有路徑向內指。時間流將一切帶向黑洞最深處的奇點——在這里，密度是無限的，時間也止于此。（右下）光錐表示光線在時間上向前和向后的路徑。當物質塌縮并形成黑洞時，穿過黑洞事件視界的光錐將向內朝奇點運動。外部的觀察者永遠不會真正看到光線到達事件視界。他們看到的，只是光線接近事件視界。之后的就沒有人能看到。
即便我們看不見黑洞，但我們仍可以通過觀察黑洞引導周圍恒星運動的巨大引力，來確定其特征。
Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自帶領著一個獨立的研究小組，以探索我們的銀河系中心區域。我們的銀河系狀似一張圓盤，直徑達到10萬光年，其中有云氣和塵埃，以及幾千億顆恒星；其中之一就是我們的太陽。我們從地球上望去，巨大的星際氣體和塵埃遮擋了大部分來自銀河系中心的可見光芒。紅外線望遠鏡和無線電技術首次讓天文學家得以穿越這些障礙，觀測到銀河系中心的恒星。
Genzel和Ghez循著恒星的運行軌道，提出迄今為止最有說服力的證據：銀河系中心隱藏著一個看不見的超大質量物體。黑洞是唯一可能的解釋。
聚焦中心
五十多年來，物理學家一直在懷疑，銀河系的中心可能存在一個黑洞。自從二十世紀六十年代初發現類星體以來，物理學家就推測，大多數大型星系（包括銀河系）的內部可能存在超大質量黑洞。但是，目前尚無人能解釋，星系和它們的黑洞，到底是如何形成的。
一百年前，美國天文學家Harlow Shapley率先確定了銀河系的中心，指向人馬座。在后來的觀測中，天文學家發現那里有強大的無線電波源，他們把這個無線電波源稱為“人馬座A*”。等到二十世紀六十年代末，人們發現人馬座A*占據了銀河系中心，銀河系內的所有恒星都圍繞其運行。
但一直到二十世紀九十年代，我們才有了更大的望遠鏡和更好的設備，可以對人馬座A*進行更為系統的研究。Reinhard Genzel和Andrea Ghez 分別啟動了各自的項目，試圖透過厚厚的塵埃云觀察銀河系的中心。他們和自己的研究團隊一起，開發和完善各自的技術，構建獨特的儀器并投身于長期的研究。
要觀測遙遠的恒星，就要用到世界上最大的望遠鏡——在天文學中，越大越好是一條絕對的真理。德國天文學家Reinhard Genzel和他的團隊最初使用的是新技術望遠鏡（NTT），位于智利的拉西拉天文臺。后來，他們將觀測轉移到位于帕拉納爾山（也是在智利）的甚大望遠鏡（VLT）上。甚大望遠鏡擁有4臺8.2米口徑的望遠鏡，相當于新技術望遠鏡（3.58米）的兩倍以上，而這些望遠鏡的組合等效口徑可達16米。
在美國，Andrea Ghez和她的研究團隊使用了位于夏威夷莫納克亞山的凱克天文臺。該天文臺擁有兩座口徑約10米的望遠鏡，是目前世界上最大的望遠鏡之一。每面鏡片都像一個蜂巢，由36個六邊形的部分組成，可以單獨控制，以更好地聚焦星光。
星星指路
這些恒星的軌道表明，在銀河系的中心區域，某種無形而沉重的東西控制著它們的軌道。
最靠近銀河系中心的恒星
這兩顆恒星的軌道是迄今為止最令人信服的證據，證明在人馬座A*中隱藏著一個超大質量黑洞。據估計，這個黑洞的質量約為太陽質量的400萬倍，而所有這些質量都擠壓在一個不比太陽系大多少的區域內。
左上：天文學家測量了銀河系中心人馬座A*附近一些恒星的軌道；
右上：對其中一顆恒星S2（或稱S-02），天文學家成功繪制了其完整的軌道，發現其圍繞銀河系中心的周期不到16年。該恒星最靠近人馬座A*時，距離僅為大約17光時（100億公里以上）。
左下：S2的徑向速度會隨著其接近人馬座A*而增加，并隨其在橢圓形軌道上的運行而逐漸下降。徑向速度是恒星速度在我們視線上的分量。
右下：在最靠近人馬座A*（2002年和2018年）時，恒星S2的速度達到最高的每秒7000公里
無論望遠鏡有多大，它們所能分辨的細節總是有限的，因為在我們上方，是將近100千米厚的大氣層。望遠鏡上方的大氣泡往往比周圍環境的溫度更高或更低，它們就像透鏡，能使光線在到達望遠鏡鏡面時發生折射，從而扭曲了光波。這就是星星閃爍的原因，也是星空圖像模糊的原因。
自適應光學技術的出現對天文觀測的改善至關重要。現在，望遠鏡上都安裝了一個額外的薄鏡片，用以補償空氣的湍流，并校正扭曲的圖像。
近三十年來，Reinhard Genzel和Andrea Ghez一直在銀河系中心的恒星群中追蹤某些恒星。他們繼續開發和該進這項技術，采用更靈敏的數字光傳感器和更好的自適應光學元件，使圖像分辨率提高了1000倍以上。現在，他們可以更精確地確定恒星的位置，并在夜間跟蹤它們。
研究人員追蹤了這群恒星中30顆最亮的恒星。這些恒星在距離中心一個“光月”的半徑內移動得最快。另一方面，這一區域以外的恒星則更有序地沿著它們的橢圓軌道運行。
一顆被稱為S2（或S-O2）的恒星，在不到16年的時間內繞銀河系中心運行了一周。這是非常短的時間，因此天文學家能夠繪制出它的整個軌道。我們可以拿太陽來比較，太陽繞銀河系中心轉一圈需要超過2億年的時間；換言之，當我們目前這一圈剛剛開始時，恐龍還在地球上行走。
理論與觀測相輔相成
兩個小組的測量結果非常一致，他們得出的結論是：銀河系中心的黑洞質量應該相當于400萬倍太陽質量，被擠壓到一個太陽系大小的區域內。
我們或許很快就能看到人馬座A*的真面目了。就在一年前，事件視界望遠鏡天文網絡已經成功拍攝到一個超大質量黑洞的圖像——事實上，我們看到的是它周圍最鄰近的環境。在距離我們5500萬光年的室女A星系（又稱M87星系）中，存在著一個由超大質量黑洞構成的核心。
M87星系的核心黑洞非常巨大，質量是人馬座A*的1000多倍。相比之下，近年來許多引力波事件背后的碰撞黑洞要輕得多。和黑洞一樣，在2015年秋天被美國的LIGO探測器第一次捕獲引力波信號之前，這種時空漣漪只是愛因斯坦廣義相對論的理論預測（取得該發現的科學家榮獲2017年諾貝爾物理學獎）。
未解的謎題
Roger Penrose的工作揭示了黑洞是廣義相對論的直接推論，但在奇點無限強大的引力下，這個理論不再適用。理論物理學領域正在進行大量的工作，以創建一個新的量子引力理論。這必須將物理學的兩大支柱——相對論和量子力學——結合起來，并在黑洞的內部的極端條件下相遇。
與此同時，天文學家也越來越接近黑洞，試圖更近距離地展開觀測。Reinhard Genzel和Andrea Ghez的開創性工作為新一代天文學家開辟了道路，使他們能夠對廣義相對論及其最奇異的預測進行精確的驗證。這些測量和驗證工作很可能為新的理論見解提供線索，并揭示宇宙中更多的秘密和驚喜。

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