新闻背后｜诺奖“神奇天体”的至暗奥秘

发布时间：2020-10-07 07:19:57来源：中央纪委国家监委网站

　　中央纪委国家监委网站姜永斌报道当地时间10月6日12点（北京时间18点），2020年诺贝尔物理学奖正式揭晓。瑞典皇家科学院决定将这一奖项的一半授予罗杰·彭罗斯（RogerPenrose），另一半共同授予赖因哈德·根策尔（ReinhardGenzel）和安德烈娅·盖兹（AndreaGhez），以表彰三人对黑洞的相关研究。这也是最近4年诺贝尔物理学奖第三次颁奖给天体物理领域。

　　3位物理学家因研究黑洞获奖

　　诺贝尔奖委员会官方网站资料显示，罗杰·彭罗斯1931年出生于英国科尔切斯特，1957年毕业于英国剑桥大学，是英国牛津大学教授。

　　赖因哈德·根策尔1952年生于德国巴特洪堡，1978年获德国波恩大学博士学位，是德国慕尼黑马克斯·普朗克太空物理学研究所所长、美国加州大学伯克利分校教授。

　　安德烈娅·盖兹1965年出生于美国纽约，1992年毕业于美国加州理工学院，获博士学位，现任美国加州大学洛杉矶分校教授。

　　瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松宣布获奖结果时介绍，罗杰·彭罗斯被授予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”。

　　爱因斯坦提出的广义相对论，将万有引力解释为时空的弯曲，但他本人并不认为黑洞真实存在。在爱因斯坦去世10年后的1965年1月，罗杰·彭罗斯使用巧妙的数学方法证明了黑洞确实可以形成，并进行了详细描述。根据其计算结果，黑洞的中心隐藏着一个“奇点”，所有已知的物理学定律在其上都将不再适用。这项开创性的研究仍被视为对广义相对论的最重要贡献。

　　赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹则因“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”获奖。二人各自领导着一个团队，自上世纪90年代初以来专注于银河系中心的区域，并以高精度绘制了银河系中部最亮恒星的轨道。两个团队均通过观测结果计算发现，有一个大约四百万个太阳质量的不可见致密天体扰乱着恒星，令它们高速移动。这个令人信服的证据表明，银河系中心是一个超大质量的黑洞。

　　最近4年3次颁奖给天体物理领域

　　最近十几年，诺贝尔物理学奖呈现了一定的规律性，物理学的四大领域——天体物理学、粒子物理学、原子分子及光物理学、凝聚态物理学，轮番登台。比如，2015年颁给了粒子物理学，2016年是凝聚态物理学，2017年是宇宙天体物理学，2018年是原子分子及光物理学范畴。虽然2019年的获奖成果仍是宇宙天体物理学范畴，学界普遍认为，2020年粒子物理和凝聚态物理学领域研究获奖的机会比较大。

　　然而，人们津津乐道的颁奖规律被打破，最近4年的诺贝尔物理学奖第三次颁给了天体物理领域，很多专家此前的预测都错了。

　　中国科学院国家天文台研究员、恒星级黑洞研究团组首席科学家苟利军对这一结果也直呼“很意外”。但他告诉记者，诺贝尔奖的颁发也许并不存在所谓规律，而且可能与物理学各分支领域现阶段的影响和成果无关。此次获奖的黑洞研究，也都是几十年前的成果。

　　“罗杰·彭罗斯的贡献主要是上世纪60年代的，他通过理论计算证明了黑洞存在。而赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹的工作从上世纪90年代到本世纪初，他们通过实际观测帮助我们认识到，各个星系中心普遍存在着黑洞。”苟利军表示。

　　数据显示，1901年至2020年，诺贝尔物理学奖的215位获奖者中只有4位女性，居里夫人是第一位，而今年的安德烈娅·盖兹则是第四位。

　　安德烈亚·盖兹在回答媒体提问时也表示，黑洞挑战了人类对天体物理学的认知边界。“黑洞的研究推动了我们对基础科学的研究。我们一方面了解了黑洞是什么，另一方面也理解了宇宙构成的基石。”

　　最神秘天体黑洞魅力无穷

　　作为宇宙中最神秘的天体之一，黑洞自诞生之日起便争议不断。

　　爱因斯坦广义相对论预言，存在的一种密度非常大的特殊天体，它表面的引力大到任何东西甚至连光都跑不出来。德国物理学家史瓦西给出了广义相对论的第一个严格解释，他发现所有的天体都存在一个史瓦西半径，如果天体的实际半径比它的史瓦西半径要小，那么它就会变成一个黑洞。比如，太阳的史瓦西半径是3千米。

　　黑洞的全部质量可以认为几乎集中在其最中心的奇点。在巨大引力场的作用下，黑洞会表现出一些非常神奇的效应，比如黑洞周围的时间会变得很慢。

　　目前公认的恒星级质量黑洞是由大质量恒星自身坍缩而形成的。当恒星的核燃料耗尽，即将到达生命的尽头，就有可能演化为白矮星、中子星或者黑洞。

　　已逝英国物理学家斯蒂芬·霍金曾提出“灰洞”和“霍金辐射”的猜想，认为被吸入黑洞深处物质的某些信息，会以能量的形式向外界发出辐射，黑洞并非“只进不出”。

　　2019年4月10日，多个国家的科研团队经过10多年准备，通过“事件视界望远镜”项目深度分析大量观测数据，得到了人类历史上首张黑洞“正面照”，引发社会各界对黑洞的巨大热情。

　　苟利军研究黑洞已有20年。他告诉记者，国内研究黑洞的天体物理学家有很多，自己带领的团队研究方向是黑洞测量。2011年以来，团队已对人类发现的第一个黑洞“天鹅座X-1”进行了两次测量，先是测到14倍太阳质量，而最近又将黑洞质量精确到21倍太阳质量。

　　“对于黑洞这种特殊天体，要想准确测量难度很大，我们需要不断改进和更新测量方法。”苟利军介绍。

　　诺贝尔物理学奖成果离我们并不遥远

　　很多人会认为诺贝尔奖成果应用离普通人非常遥远，其实并非如此。

　　1901年第一届诺贝尔物理学奖颁发给了德国物理学家威廉·康拉德·伦琴，他于1895年11月做实验时发现了X射线，并借妻子的手拍摄了人类历史上第一张X光片。这项伟大的发现开创了医疗影像技术，为人类诊断及治疗疾病提供了新途径，同时大大促进了粒子物理的发展。

　　还有一个典型例子是获得1956年诺贝尔物理学奖的约翰·巴丁等3人，他们对半导体的研究和发现晶体管效应，构成了包括手机、电脑在内的所有现代电子电路的关键基础元件。

　　此外，用于芯片的集成电路获2000年诺贝尔物理学奖，用于存储器的巨磁阻效应获2007年诺贝尔物理学奖，用于相机的半导体成像器件获2009年诺贝尔物理学奖，而2014年获诺贝尔物理学奖的是蓝光二极管，它使明亮而节能的白色光源成为可能。

　　就连天体物理学，其成果也会与人们的生活有所帮助。“以广义相对论为例，一开始也看不出与大众的联系，但现在每个人使用的卫星导航，其背后理论基础就包括广义相对论。”苟利军认为，对黑洞等天体的研究，是一种智力挑战，其根源也是人类的好奇心。一些基础前沿研究在未来可能会带来意想不到的价值。

　　科学探索永无止境

　　随着领域细分和研究复杂性的加大，多数科研成果需要越来越多的大型实验设备。比如，用于验证希格斯玻色子存在的大型强子对撞机，就是个周长27公里、跨越瑞士和法国两个国家的粒子加速器。

　　不仅如此，诺奖还呈现出多元化合作的趋势。从获奖人数看，1945年以前，70%以上的诺贝尔物理学奖为单人获奖。在这之后，接近80%的奖项为多人获奖，最近一次独享诺贝尔物理学奖的情况还要追溯到1992年。从获奖者所属的国家看，1930年以前，有61.3%的诺奖成果诞生在欧洲，德国的诺奖得主数量首屈一指。二战前后，大批科技人才从欧洲涌入美国，科技中心随着国际局势的变化快速转移。进入21世纪后，诞生诺奖的国家变得更加多元。而且，自然科学奖项中，物理、化学、生物三者交叉学科获奖成果比例也在不断上升。

　　诺贝尔奖近120年的历史，同时也是人类科技史和世界史的缩影。瑞典化学家诺贝尔在1895年签署遗嘱设立奖项基金时未必想到，他的这一决定会在后世产生如此深远的影响。而诺贝尔科学领域的奖项本身也早已超越一般的奖励意义，成为激励全世界相关科研人员不断求索、进取的至高荣誉。

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