allbet:遗憾!霍金走的太早了!其论文合作伙伴刚获今年诺贝尔物理奖

admin 2个月前 (10-07) 科技 32 0

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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措施。

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“发现黑洞形成是广义相对论的一个有力展望”和后两者“发现我们星系中央的超大质量的致密天体”。

图注:霍金和彭罗斯

罗杰・彭罗斯,1931年出生于英国科尔切斯特。1957年结业于英国剑桥大学。现为英国牛津大学教授。霍金是彭罗斯论文的主要互助伙伴,若是霍金在世,大概率也能拿诺奖。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措施。

2019年人类宣布首幅黑洞照片

2015年人类首次探测到黑洞合并发出的引力波

我们先看看今年的诺奖功效,然后再谈一例彭罗斯和霍金互助的主要事情。

黑洞和银河系的至暗隐秘

上述三位科学家,对宇宙中最奇异的征象之一,即黑洞,有了新的发现,因此获得今年的奖项。罗杰・彭罗斯的研究注释,广义相对论展望了黑洞的形成。赖因哈德・根策尔和爱德莉亚・盖兹发现,在银河系中央,有一个看不见的、极其重的物体,支配着恒星轨道。而现在,对该物体唯一已知的注释就是超大质量黑洞。

罗杰・彭罗斯使用巧妙的数学方式,证实阿尔伯特・爱因斯坦广义相对论对应着黑洞。黑洞能捕捉四周的所有器械,甚至光也无法逃走,而爱因斯坦自己并不信赖黑洞真的存在。

1965年1月,也就是爱因斯坦去世十年后,罗杰・彭罗斯证实了黑洞确实可以形成,并对黑洞进行了详细描述。在黑洞的焦点,隐藏着一个奇点,在那里,一切已知的自然法则都市住手。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主要的孝敬。

观察注释,银河系中央存在一颗伟大黑洞

赖因哈德・根策尔和爱德莉亚・盖兹,两者各自向导着一组天文学家,从20世纪90年代初开始,就关注银河系中央一处名为人马座A*的区域。他们越来越准确得绘制出最靠近银河系中央的最亮恒星的轨道。这两组研究团队的丈量效果一致,都发现了一个异常重的、看不见的物体在吸引着一团恒星,使恒星以极快的速率运行。在一个不比太阳系大的区域里,群集的物质大约为400万个太阳的质量。

银河系中央恒星围绕“中央物体”运动的情形!由于中央天体的质量极大,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式,行使世界上最大的望远镜,透过星际气体和灰尘组成的伟大云团,看到银河系的中央。他们改进了新手艺,拓展了手艺的极限,以解决地球大气造成的影响。他们还设计怪异仪器,并致力于历久研究。他们的事情具有开创性,证实银河系中央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拓出新天地。但关于这些奇异的物体,仍有许多问题守候解答,而这些问题则能引发未来研究的积极性。这些问题既涉及其内部结构,还涉及如何在黑洞四周的极端条件下磨练我们的引力理论,”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,这个黑洞异常重,以至于能捕捉经由其事宜视界的所有器械,甚至连光都无法逃走。在视界上,时间取代空间,而且只指向前方。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、灰尘和几千亿颗恒星组成。我们的太阳就是其中之一。

图注:离银河系中央最近的恒星。这些恒星的轨道是现在为止最令人信服的证据,能证实在人马座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。

彭罗斯和霍金在奇性定理方面的互助

1970年,霍金和彭罗斯证实,我们的宇宙在大爆炸的劈头有一个时空奇点。

1916年,在爱因斯坦广义相对论刚刚提出后,德国数学家、天文学家史瓦西(K.Schwarzschild)就获得了爱因斯坦场方程的第一个严酷解,即史瓦西外部解或史瓦西度规,也就是数学意义上的黑洞。然而,现实中是否存在黑洞呢?那时科学界是存在很大争议的。

图注:天体物理学家史瓦西

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1939年,美国“原子弹之父”奥本海默(J.Robert Oppenheimer)及其互助者研究了完全球对称、密度平均,没有旋转,没有压力的理想恒星的坍缩历程。在这种完全理想的前提下,恒星的质量大到一定水平,黑洞的形成是不可避免的,从而形成与外界宇宙隔离的视界(Horizon)。那么,黑洞中央会形成什么呢?奥本海默并没有给出任何注释。但他的方程却暗示着,在黑洞的中央会形成体积无限小、密度无限大的奇点(Singularity)。

图注:美国原子弹之父奥本海默

然而,奥本海默的模子太简朴了,现实中恒星若干都有旋转,不可能完全不受滋扰保持完善球对称。因此,任何非完善的恒星在坍缩的历程中,存在发生反弹的可能性,不会在中央形成奇点。关于这一点,前苏联物理学家栗弗席兹(Lifshitz)曾给出过证实。

1964年,英国数学物理学家彭罗斯(Roger Penrose)行使拓扑学的方式证实,无论有什么滋扰,在坍缩黑洞的中央会不可避免地形成奇点。

若是爱因斯坦的广义相对论准确,黑洞中央就不可避免地形成一个奇点。

1970年,霍金和彭罗斯证实了,在广义相对论的框架下,我们的宇宙在大爆炸的劈头也有一个时空奇点,若是有一天再发生坍缩,一定在大挤压中再次形成奇点。这就是著名的奇性定理(singularity theorems)。

三位获奖者简介

罗杰・彭罗斯,1931年出生于英国科尔切斯特。1957年结业于英国剑桥大学。现为英国牛津大学教授。

赖因哈德・根策尔,1952年生于德国的巴特洪堡。1978年在德国波恩大学获博士学位。现为马克斯・普朗克外层物理研究所主任,兼任美国加州大学伯克利分校教授。

安德莉亚・盖兹,1965年出生于美国纽约。1992年在美国加州理工学院获博士学位。现为美国加州大学洛杉矶分校教授。

奖金总额

奖金总额为1000万瑞典克朗(约合760万人民币),其中一半奖给罗杰・彭罗斯,另一半奖给赖因哈德・根策尔和安德莉亚・盖兹。

谈谈霍金另一项诺奖级的孝敬:霍金辐射

上面我们提到,奇性定理是彭罗斯和霍金配合完善的,最早源于彭罗斯的事情,今年诺奖因这项事情颁发给彭罗斯,也是实至名归!实在,霍金加倍独创性的事情要数“霍金辐射”了

在人人心目中,黑洞是那种只吃不吐的引力怪物。没有任何器械能够逃走黑洞的约束,包罗光线。上面的熟悉都是基于经典的广义相对论,当考虑到量子场论效应时,头脑中的看法就要发生改变了。

图注:霍金辐射示意图。

真空并不是完全的空,而是充满了起伏不定的量子涨落,种种正、反虚粒子对不停发生和湮灭。黑洞视界四周是一个危险的区域,通常那里潮汐力很强,会把“虚粒子对”拉开一定距离,当“虚粒子对”获得足够多的能量时,就会转化为真实存在的实粒子,当处于视界外的粒子飞走时,就带走了黑洞的能量,也是带走了黑洞的质量。这样,黑洞质量就会逐渐变小,该历程又称为“黑洞蒸发”。

另一个等价的图景:一个虚粒子带正能量、一个带负能量,负能量的粒子更容易被黑洞吞噬,留下正能量的粒子逃离黑洞,从而带走能量和质量,黑洞因吞噬了负能量粒子而损失了能量和质量。这也是霍金在《时间简史》中描绘的图景。

凭据霍金辐射的计算公式,黑洞的温度与质量成反比,通常黑洞的温度都是异常低的。太阳质量的黑洞,温度只有60纳开,这样的黑洞从宇宙靠山辐射吸收的能量要大于因辐射损失的能量,因此永远不会蒸发掉。

理论上,月球质量的黑洞,其温度和宇宙靠山辐射的温度相当,正好能做到收支平衡。因此,可以想象,小质量的黑洞温度会更高。若是粒子对撞机能发生黑洞的话,那么会因霍金辐射而瞬间蒸发掉的,因此无需忧郁那样小的黑洞吞噬地球。

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