霍金的棺材板压不住了!为什么说他早应该分享昨天公布的诺贝尔奖?

2016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。

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视频:2020年诺贝尔物理学奖颁布 100秒介绍三名获奖科学家,时长约1分40秒

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“发现黑洞的形成是广义相对论的坚实预言“发现我们星系中心超大质量致密天体”(其实就是指银河系中心那颗质量是太阳400万倍的超大质量黑洞)。

我们注意到,这是诺贝尔物理奖首次直接授予黑洞的理论和观测工作。此前,2017年诺贝尔物理奖授予的是人类首次直接观测到引力波,而非直接授予黑洞的研究。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。

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图注:2019年人类公布首幅黑洞照片。

如果霍金在世,能和彭罗斯共获诺奖吗?

我们还注意到,表彰彭罗斯的颁奖词是:“for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity”,直接翻译是“发现黑洞的形成是广义相对论的坚实预言”,但熟悉广义相对论的人一看就知道获奖理由就是彭罗斯对黑洞奇性定理的原创性研究。

图注:霍金和彭罗斯。

今年的诺奖结果,不得不让人联想到已故物理学家霍金,因为有以彭罗斯和霍金共同命名的“彭罗斯-霍金奇点定理(Penrose–Hawking singularity theorems)”。

这里要说明一下,最开始,黑洞的奇性定理完全是由彭罗斯在1965年提出的,后来霍金把黑洞的奇性定理推广到宇宙学当中,提出了宇宙大爆炸源于时空的奇点。1970年,霍金和彭罗斯一起得到了更一般性的奇性定理,就是“彭罗斯-霍金奇点定理“。

因此,彭罗斯对奇性定理确实是原创性的。当然,霍金和彭罗斯合作得到了更一般性的奇性定理,如果他在世,也应该共同获得诺贝尔奖。

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图注:2015年人类首次探测到黑洞合并发出的引力波。

霍金在黑洞方面还有更重要的理论工作,那就是黑洞的霍金辐射和黑洞的面积定理。霍金辐射很难通过实验或观测实验验证。黑洞的面积定理可以说已经被观测验证,那就是LIGO/Virgo探测到了一次次黑洞合并产生的引力波,每次合并生成的大黑洞的视界面积都大于合并之前的两颗子黑洞的视界面积之和。

因此,霍金在黑洞理论方面有多方面的贡献,从这个角度看,如果霍金健在,给霍金诺奖也是水到渠成的事情。

有关奇性定理和霍金辐射的细节,我们放在后面段落中详解。

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,两者各自领导著一组天文学家,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著一团恒星,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。

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银河系中心恒星围绕“中心物体”运动的情况!由于中心天体的质量极大,体积又极小,由此推断这个物体必须是黑洞。

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。

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