向探索与发现、挑战与未知致敬 | 2020诺贝尔物理学奖带来的启示
电影《星际穿越》中的黑洞形象
四年抱仨!2020年诺贝尔物理学奖又一次颁给了天体物理学领域,又一次“震惊”了大家。不过,翻看大家的评论后会发现,在震惊之外,有人质疑今年的成果不够诺奖级别,“发现银河系中心的超大黑洞也值诺奖?”,也有人怀疑起自己的记忆,“黑洞的研究竟然现在才获诺奖?”
撰文 | 苟利军(国家天文台),毛淑德(清华大学)
责编 | 韩越扬
● ● ●
其实,三年前引力波的获奖也多少与黑洞有关(探测到双黑洞合并产生的引力波),但是今年的确实是与黑洞直接相关,这也着实让包括作者之一(苟利军)在内的从事黑洞研究的科研工作者们在意外之余又备受鼓舞。写了一篇短文,既是对今年诺奖成果的简单解读,也是对大家各种疑问的讨论,希望能给我们带来新的启示。
三位科学家分别做出了哪些贡献?
首先,我们来回顾一下诺奖委员会的颁奖语。
图片来源:诺贝尔奖官网
“三位获奖者分享了今年的诺贝尔物理学奖,以表彰他们对宇宙中最奇异的现象之一—黑洞的发现。罗杰·彭罗斯证明了广义相对论导致了黑洞的形成。莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹发现,我们银河系中心的恒星轨道由一个看不见的极其重的物体控制。超大质量黑洞是目前已知的唯一解释。”
罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)是牛津大学数学荣休教授,他最早在1965年的时候,使用了巧妙的数学方法,证明黑洞是阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)广义相对论的直接结果。证明了黑洞确实可以形成,并对其进行了详细描述;黑洞的核心隐藏着一个奇点,在这个奇点中,所有已知的自然法则都消失了。而之后,他和霍金继续做了与奇点相关的研究。最后,这些结果被总结成了以两人命名的定理:彭罗斯-霍金奇点定理。
说到这里肯定有人要问了,如果霍金还在世,是不是也应该获奖呢?有可能也不一定。比如说此次获奖的彭罗斯,在诺奖说明中就提到他证明了黑洞是广义相对论中的必然存在的天体,而有关奇点的最早工作是彭罗斯在1965年独立完成的,而1970年霍金与彭罗斯的合作工作中,尽管霍金是第一作者,而且给出了更加严格的证明,并且讲奇点理论拓展到了宇宙学当中,但工作是却不是开创性的。从诺奖对“开创性工作”的重视上而言,如果非要在二人中做选择,恐怕还是彭罗斯会“胜出”。
当然霍金和彭罗斯两人也因为奇点定理,共同获得了沃尔夫奖。对于霍金来说,他最为知名、最重要的工作无疑是以自己名字命名的“霍金辐射”,如果哪天真的探测到这个辐射,按照目前的这个诺奖趋势,也开始颁发给理论学家了,所以霍金肯定是毫无悬念的获奖了。很遗憾的是,黑洞方面的一些声名远扬的大师已经相继过世,贝肯斯坦也于2015年过世,依旧建在的不多了。
除了数学家和数学物理学家,彭罗斯还有一个身份,那就是科普作家。他写过不少很受欢迎的科普书,在国内最知名的就是《皇帝新脑》,这本书是不少大学理科青年的经典案头书。
这是一本涉及多个学科领域的畅销书(图片来源:亚马逊官方网站)
说到论证了黑洞奇点存在,在这里就必须要提一下彭罗斯之前的几位物理学家或者数学家,那就是施瓦西和科尔,他们分别在1916年和1963年得到了爱因斯坦场方程的精确解。施瓦西得到了静止黑洞的精确解,而科尔得到了转动黑洞的精确解,他们的成果对于黑洞研究非常重要,应用也非常广泛,尤其是科尔黑洞的度规解 ,求解难度超乎寻常,否则也不会等待将近半个世纪才得到答案。从重要性来讲,这也是达到了诺奖水平的成果。
尽管黑洞是基于爱因斯坦提出的广义相对论推演出的天体,但是直到1955年去世,爱因斯坦本人都不相信黑洞真的存在,最主要的原因是根据当时的了解,宇宙中所有天体都是转动的,而当时所得到的黑洞解意味着黑洞是不转动的。而且由于战争,对于黑洞的研究观测几乎处于停滞状态。也难怪爱因斯坦不肯相信这种奇异天体的存在。
直到了20世纪60年代,才迎来了黑洞研究的黄金时期,黑洞相关理论和观测取得双重进展:第一个黑洞的发现,第一个类星体的观测,科尔度规的求解等等……
类星体被发现之后,因为其能量实在巨大,所以如何解释它成为一个难题。后来,人们认为这是超大质量黑洞吸积气体,产生喷流的结果。也就是说,我们所看到的类星体其实就是超大质量黑洞产生的强大喷流。
但是按照这个解释,又产生了一个新的问题,那就是包括我们银河系在内的没有喷流的星系中,是否也存在超大质量的黑洞呢?或者说,超大质量黑洞在星系中是普遍存在的,还是仅仅存在于某些星系?
要想回答这个问题,我们所处的银河系无疑就是一个最佳观测对象。
1969年,唐纳德·林登-贝尔(Donald Lynden-Bell)和马丁·里斯(Martin Rees)提出,银河系中心可能包含一个超大质量黑洞,但这一观点缺乏证据,因为银河系核心被星际尘埃遮蔽着,只能作为相对微弱的射电源被探测到,称为人马座A*。
这就有了后来众多天文学家想证实银河系中心存在超大质量黑洞的不懈努力。而这次获奖的两位就是这方面的代表性人物。
就如诺奖委员会所言,莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)各自领导着一个天文学家小组,自20世纪90年代初以来,他们一直专注于我们银河系中心一个名为射手座A*的区域。他们分别使用着世界上最为先进的望远镜,绘制了距离银河系中央最近的最亮恒星的精确轨道。通过轨道和速度,确定出中心黑洞的质量。这两组人的测量结果是一致的,在银河系中心,大约有400万个太阳质量聚集在一个不比我们太阳系大的区域内。在这里需要说明的是,这种方法在天文学中也被称为动力学方法,是质量测量方法中最为可靠的一种。笔者目前也是在利用同样的方法对恒星量级黑洞做着质量测量。
尽管两人都得到了一致的黑洞质量结果,但是莱因哈德·根泽尔团队和安德里亚·盖兹团队利用不同的望远镜对银河系中心的黑洞进行观测。盖兹利用了世界上最为先进的凯克望远镜,并且利用了主动光学的技术,通过将近20年的持续努力,最终才绘制出周围恒星的精确轨道图。根泽尔团队则是利用欧洲南方天文台口径为8.2米的大型望远镜(VLT),这是由4个相同望远镜组成。目前,他们已经成功利用将四个望远镜通过干涉的方式在红外波段联网(VLTI),组成了一个虚拟口径达到120米的超级望远镜。
VLT的全貌(图片来源:ESO)
肯定有读者会想起视界面望远镜(EHT),同样是通过干涉联网,视界面望远镜是在亚毫米波段联网,最终虚拟口径达到地球直径大小。两者相比较的话,VLT要更难一些。因为亚毫米波段依旧属于射电波段,这方面的技术相对很成熟,而红外波段的干涉难度就很大,所以要想稳定运行,难度就更大。利用这个成功运行的干涉阵,根泽尔团队就相当于拥有了一架超高分辨率的望远镜,可以看到很多之前没有看到的细节,作出一些从来没有看到过的发现。比如,他们观测到了我们银河系中心S2恒星的微弱的引力红移,验证了广义相对论理论。北京大学的东苏勃教授就利用这个高分辨率的望远镜,首次观测到了微引力透镜的双像。
来自人们的双面疑问
回到我们文初提到的大家的疑问,有人质疑今年的成果不够诺奖级别,也有人觉得黑洞研究早就应该获奖了。
对于前者的质疑,在前文中其实我们也有了一些回答,诺奖比较重视开创性的成果,不管是从数学角度、理论角度去证明黑洞确实存在,还是从观测上“证明”银河系中心超大质量黑洞的存在,都是符合这一标准的。正是这些前辈们的努力,才使得黑洞家喻户晓。
对于后者的困惑,我们认为,可能是因为黑洞这种天体实在太奇异了,充满了神秘色彩,与其他研究领域相比,有着传播上的天然优势,不管是在影视文学作品中,还是在大众传媒里,黑洞的出镜率都非常高。其实,科学研究和大众传播并不相同,在很多大家不熟悉甚至没听过的领域,还有着很多诺奖级别的成果。
黑洞相关研究还有希望获奖吗?
昨天也有不少朋友讨论,接下来,黑洞领域还有没有机会再获诺奖?我们以为,视界面望远镜(EHT)的工作倒有一定的可能,2019年4月10日发布的首张黑洞照片让大家对黑洞有了直观认识,虽然与传统意义上通过光学手段“直接看到”不一样,但那仍然是我们第一次“真正切切”看到黑洞的模样。不过,当时只公布了M87星系中心的黑洞,银河系中心的黑洞照片因为处理难度还没有公布,相信不久也会看到。目前对于黑洞的研究还停留在一个大尺度的研究层面,视界面望远镜的高分辨率能够让我们看到黑洞周围一些更小尺度上的新物理或者新现象,或许其中就包含有一些突破性的发现。
超大质量黑洞获奖了,那么恒星量级的黑洞还会获奖吗?以及前一段时间引力波刚刚发现的中等质量黑洞GW190521会得奖吗?从时间的角度而言,1964年探测到的天鹅座X-1是人类历史发现的第一个黑洞,然而或许相比较而言,物理是恒星量级的黑洞还是中等质量的黑洞本身,对于星系和宇宙的演化都没有超大质量黑洞的作用那么的大。所以再次授予这两个发现的概率会小很多。
获奖的启示
这次获奖的彭罗斯主要是从事理论方面的研究,他继承了以牛顿为代表的理论研究,用的是纯脑力。除过黑洞和宇宙学方面的贡献之外,彭罗斯对数学也有很多的贡献,像彭罗斯瓷砖(Penrose tiling)等,所有的这些研究,都是为兴趣使然。不禁让人想起来了牛顿晚年所说的一句话,“我只不过是一个在海滩上玩耍的顽童,无意中捡到了几个漂亮的贝壳”。无论如何,彭罗斯的成就也是与他所在研究单位的自由的学术环境、并且拥有许多优雅并且有好奇心的学者是紧密相关的。
非周期性、永不重复的彭罗斯瓷砖 (图片来源:维基百科)
而作为观测学者的根则尔和盖兹,他们的工作如上所说,用到了目前世界上最好的8-10米级望远镜,并且是长达十多年观测的结果,这是欧美对基础研究不懈支持、产生顶级科学的又一范例;为了穿过致密的气体云,他们的观测必须在近红外开展,而近红外探测器这样的卡脖子技术对中国是禁运的,这也是中国天文学家的一个短板,是未来我们需要急需发展和解决的。
黑洞周围恒星运动轨迹图
目前中国最大口径的通用型望远镜是位于云南丽江的2.4米望远镜,相比之下,欧洲和美国最大口径的望远镜是8-10米口径的望远镜,而与此同时,他们已经在建造下一代的30-40米的望远镜。作为一门设备驱动的观测型学科,一旦国外的下一代望远镜投入使用,中国和这些国家的天文学差距将会变得更大,我们必须要思考在未来(接下来的十年甚至几十年之内)如何应对这种局面。不过科学没有太多的捷径可以走,我们还是需要在设定好目标之后,踏踏实实地撸起袖子努力去做。
敬探索与发现,敬挑战与未知
诺奖公布之后,很多人在问,这次获奖的黑洞成果对我们的生活有什么具体而深远的贡献吗?其实,最直接的,我们目前理所当然地认为黑洞这种天体在宇宙中存在,就归功于这些科学家的不懈努力。说得更宏观些,他们拓宽了人类的认知边界。
虽然作为科研工作者的最高荣誉,没有人敢说自己不想获得诺奖。但我们认为,即使对于诺奖得主们来说,这也只是一项荣誉,而不是真正的追求。科研工作者们真正追求的,是对世界的认识,对未知的解答。通过理论研究、观测、实验,我们在不断挑战着自己的智力极限,如果通过这些努力与探索,我们能够解决当下遇到的这些问题,那么当未来人类遇到问题的时候,我们会有足够的信心去解决未来的那些问题。让我们,向探索与发现致敬,向挑战与未知致敬。
制版编辑 | 栗子