2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀宇宙中最黑暗的秘密

□文/楊先碧

宇宙中最黑暗的地方是哪里？我們幾乎可以脫口而出：黑洞！同時(shí)，黑洞也是宇宙中最神秘的天體，它因難以探測(cè)而一度被人認(rèn)為是僅存在于科幻小說(shuō)中的天體。然而，越來(lái)越多的科學(xué)探索證實(shí)了黑洞的確存在于茫茫宇宙中。2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒給了研究黑洞的科學(xué)家，他們分別是英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯、德國(guó)天體物理學(xué)家賴因哈德·根策爾和美國(guó)天體物理學(xué)家安德烈亞·蓋茲。

銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞

看不見(jiàn)的天體

1915年11月25日，物理學(xué)家愛(ài)因斯坦向外界介紹了自己創(chuàng)立的廣義相對(duì)論，指出萬(wàn)有引力的本質(zhì)就是時(shí)空彎曲。不到一個(gè)月后，德國(guó)物理學(xué)家史瓦西根據(jù)這個(gè)理論發(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)天體質(zhì)量特別大而半徑又特別小，強(qiáng)烈的時(shí)空彎曲所形成的“凹坑”會(huì)將其隱藏起來(lái)。

史瓦西還由此推導(dǎo)出天體的視界半徑。所謂視界半徑，就是看得見(jiàn)的半徑。后來(lái)科學(xué)界稱之為史瓦西半徑，它等于萬(wàn)有引力常數(shù)乘以2倍天體質(zhì)量，再除以光速的平方。如果一個(gè)天體的真實(shí)半徑大于史瓦西半徑，它就能被我們看到；反之，它就會(huì)消失在我們的視野之外。

宇宙中真的有看不見(jiàn)的天體嗎？一些恒星在燃料逐漸消耗減少的過(guò)程中，會(huì)不斷坍縮，真實(shí)半徑逐漸減小。如果其坍縮到真實(shí)半徑比史瓦西半徑還小時(shí)，我們就看不到這顆星星了。雖然這顆星星“隱身”了，但它還是真實(shí)存在的。1962 年，美國(guó)天文學(xué)家羅伯特·狄克將這種消失的天體稱為黑洞。

證明黑洞的坍縮

雖然史瓦西在1915年就根據(jù)廣義相對(duì)論預(yù)言了黑洞的存在，但是之后20多年都有一個(gè)問(wèn)題難以解決，那就是天體真的會(huì)坍縮成黑洞嗎？1939年，美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·奧本海默等人證明了這個(gè)問(wèn)題，不過(guò)他們證明的前提是天體是個(gè)高度對(duì)稱的完美球體。

事實(shí)上，宇宙中并不存在這樣的“完美天體”。那么，真正的天體會(huì)坍縮成黑洞嗎？1964年，數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯利用拓?fù)鋵W(xué)巧妙地完成了最終的證明。彭羅斯上大學(xué)時(shí)學(xué)的是數(shù)學(xué)，但是他特別喜歡天文學(xué)，尤其喜歡研究天體物理學(xué)中的一些難題。

彭羅斯不但完成了天體可坍縮成黑洞的證明，還提出黑洞內(nèi)部的物質(zhì)會(huì)在強(qiáng)大引力的作用下坍縮成一個(gè)密度無(wú)窮大的點(diǎn)，即天體物理學(xué)中的神秘“奇點(diǎn)”。1970年，彭羅斯還和英國(guó)物理學(xué)家霍金一起提出了奇點(diǎn)定理。這個(gè)定理給出了奇點(diǎn)和黑洞在宇宙中存在的條件，這就給天文學(xué)家搜索黑洞指明了方向，他們可以根據(jù)這些條件去尋找宇宙中這些最黑暗的天體。

銀河系中的超大黑洞

盡管科學(xué)家從理論上預(yù)言了黑洞的存在，但是黑洞因?yàn)閹缀醪粫?huì)發(fā)射電磁波而難以被天文望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)到。因此，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，不少科學(xué)家都不相信宇宙中有黑洞。根策爾和蓋茲就在銀河系中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黑洞，而且是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

在根策爾和蓋茲發(fā)現(xiàn)黑洞之前，一些科學(xué)家根據(jù)計(jì)算預(yù)測(cè)銀河系中心可能有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它位于射電源人馬座A＊，距離地球2.5萬(wàn)光年?？茖W(xué)家還提出，室女座方向M87星系核心（M87＊）也可能有超大質(zhì)量黑洞。

根策爾年輕的時(shí)候是德國(guó)最好的標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員之一，甚至能與國(guó)家隊(duì)一起備戰(zhàn)1972年慕尼黑奧運(yùn)會(huì)，后來(lái)他的興趣轉(zhuǎn)向了天文學(xué)研究。根策爾根據(jù)天文觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，繞著銀河系中心運(yùn)動(dòng)的氣體云的速度實(shí)在是太快了，只有那里存在一個(gè)看不見(jiàn)的超大質(zhì)量天體，才能產(chǎn)生巨大的引力讓那些氣體云留在現(xiàn)有軌道上。

根策爾、蓋茲和彭羅斯（從左至右）

而蓋茲對(duì)射電源人馬座A＊中的一顆名為S2的恒星特別關(guān)注，她通過(guò)分析S2的可變光譜，計(jì)算出這顆恒星的速度變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了夢(mèng)寐以求的引力紅移現(xiàn)象。而這種現(xiàn)象正好能證明S2所處的區(qū)域有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

根策爾使用的是位于智利的新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡和甚大望遠(yuǎn)鏡，蓋茲使用的是位于夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡。兩人領(lǐng)導(dǎo)的研究小組都得到了非常一致的結(jié)果，確定了人馬座A＊中心是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。他們還計(jì)算出這個(gè)黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的414萬(wàn)倍。

黑洞研究的意義

相對(duì)于諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)以及化學(xué)獎(jiǎng)來(lái)說(shuō)，物理學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)成果大多離人們的生產(chǎn)和生活較遠(yuǎn)。每年獎(jiǎng)項(xiàng)公布之后，不少人總會(huì)嘀咕：這項(xiàng)成果究竟有啥用呢？

今年也不例外，很多關(guān)心諾貝爾獎(jiǎng)的人都想知道，黑洞研究對(duì)我們究竟有何意義？

首先，所有的天文學(xué)研究都可以滿足人們的好奇心，讓人們了解自己身處的宇宙究竟是什么樣子，其中隱藏著多少秘密。而黑洞就是一個(gè)大秘密，我們得依賴現(xiàn)代科技手段才能揭開(kāi)籠罩在它“身上”的一層層面紗。

未來(lái)的太空旅行需要避開(kāi)黑洞

比如，人們?cè)?jīng)以為黑洞是個(gè)只進(jìn)不出的“貔貅類大胃王”，后來(lái)霍金等人發(fā)現(xiàn)，黑洞其實(shí)也會(huì)“打嗝”，時(shí)不時(shí)向外噴射能量和物質(zhì)。這被人們稱為“霍金輻射”。雖然人馬座A＊中心是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，但人馬座A＊卻是一個(gè)十分明亮的射電源，這是因?yàn)槟莻€(gè)超大質(zhì)量的黑洞會(huì)釋放出海量能量，這些能量可以形成明亮的類星體。

又比如，人們?cè)?jīng)以為質(zhì)量很大的天體才會(huì)形成黑洞，后來(lái)科學(xué)家推算出只有一個(gè)原子大小的超級(jí)小黑洞，那是在宇宙形成初期時(shí)的原初黑洞，不過(guò)它們存在的時(shí)間也非常短，今天已經(jīng)看不到了。

其次，黑洞研究在未來(lái)會(huì)有一些很實(shí)際的用途。比如，黑洞研究可為未來(lái)的太空航行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。毋庸置疑，就如同科幻小說(shuō)描繪的那樣，在星際航行中遭遇黑洞是很可怕的事情。未來(lái)人們?cè)谛请H航行時(shí)將會(huì)擁有一份太空地圖，人們將避開(kāi)地圖中所標(biāo)注的黑洞區(qū)域。

一些科學(xué)家還認(rèn)為，黑洞中蘊(yùn)藏著難以想象的物質(zhì)和能量，總有一天人類可以用人造黑洞來(lái)作為動(dòng)力或發(fā)電。美國(guó)科學(xué)家路易斯·克蘭就認(rèn)為人造黑洞可以充當(dāng)星際飛船的動(dòng)力。克蘭堅(jiān)信，人造黑洞散發(fā)出來(lái)的“霍金輻射”將成為星際飛船唯一的可選動(dòng)力。

雖然這些設(shè)想科幻味十足，但是我們相信會(huì)有那么一天，人們可以利用黑洞做很多事情。當(dāng)然，我們不希望把黑洞用來(lái)做武器。