探索|黑洞「吸」走諾獎,未來蟲洞是否也會被證實存在?

交匯點訊 有科學家說，宇宙是未來重大科學發現的溫床，有許多的秘密會來自於天上。

黑洞，「吸」走了今年的諾貝爾物理學獎。獎項一半授予羅傑·彭羅斯，另一半授予萊因哈德·根澤爾和安德裡亞·格茲，前者是因為「發現廣義相對論預測了黑洞的形成」，後者則因為「發現銀河系中心的超大質量黑洞」。

正如頒獎人所表示，今年的獎項關乎「宇宙最黑暗的秘密」——三位獲獎人都因在黑洞研究方面所做的卓越貢獻而獲獎。諾獎花落「黑洞」意味著什麼？記者聯繫到中國科學院紫金山天文臺和南京大學天文與空間科學的專家為我們解讀。

加深我們對世界認知的又一個裡程碑

「諾貝爾獎的一個重要特徵，就是獎勵突破人類認知的一些新發現，黑洞就是這樣一個例子。」中國科學院紫金山天文臺研究員劉四明說，以前，很多人都不相信黑洞是真實存在的，但是現在大量的天文學觀測證明，黑洞確實存在於宇宙中。而2017年諾貝爾物理學獎頒給了研究「雙黑洞併合引發的引力波」的三位科學家，以及2019年第一張黑洞照片的問世，使得今年的諾貝爾獎花落黑洞「並不讓人意外」。

科學研究需要好奇心和想像力，天文學更是如此。劉四明認為，突破人類認知的、原創性的科學發現，更多的源於科學家們強烈的好奇心和求知慾，「人類之所以跟很多其他生物不一樣，是因為人類有理性、會思考，可以發展各種各樣的工具去探測我們看不見摸不著的東西。從這種意義上講，諾貝爾獎頒給黑洞研究者，正是激勵人類不斷拓寬、加深我們對生存的世界的認知的又一個裡程碑。」

今年物理學獎的黑洞「獲獎組合」，前者是理論研究，後者是天文觀測，它們既是物理與天文的完美結合，也是理論與實踐的統一。

羅傑·彭羅斯的獲獎理由是「發現廣義相對論預測了黑洞的形成」。南京大學天文與空間科學學院教授王祥玉告訴記者，作為牛津大學數學系名譽教授的彭羅斯是霍金多年的好友，在業界眼裡，他與其說是一位物理學家，不如說是一位數學家和數學物理學家，他對物理的最大的貢獻都和數學相關。

提出「預見」廣義相對論的愛因斯坦並不相信黑洞的存在，但彭羅斯通過嚴謹的數學邏輯證明，愛因斯坦的廣義相對論能夠有力地預測黑洞的形成。

彭羅斯建立的一個數學定理表明，基於幾個合理的假設（通過使用當時大部分物理學家並不熟悉的整體/拓撲技術），一顆坍縮中的、質量過大的恆星最後會在時空中坍塌形成一個奇點，並在其周圍形成一個封閉的空間，能夠把光也束縛在其中。在這個中心的奇點處，密度和時空曲率都被預期會變得無窮大的地方——為我們提供了現在稱之為「黑洞」的物體的一個圖像。愛因斯坦的經典廣義相對論將不再適用，黑洞可以形成。

萊因哈德·根澤爾和安德裡亞·格茲則通過觀測「發現銀河系中心的超大質量黑洞」。「兩位科學家在上世紀90年代初就一直專注於銀河系中心區域的觀測研究，通過自適應光學系統，修正大氣擾動對恆星的觀測位置帶來的幹擾，他們系統分析了銀河系中心區域幾十顆恆星的運動特徵，最終在銀河系中心發現了一個非常重且看不見的物體。這個神秘的物體就是黑洞。」劉四明說。

仰望星空三十年，近十年方「開花結果」

「這三位獲獎者都至少在該領域有30年的耕耘，在最近10年才慢慢到開花結果的時候。羅傑·彭羅斯的研究更遠遠超過三十年。」南京大學天文與空間科學學院教授李志遠告訴記者，「黑洞」獲獎非常令人驚嘆，但又在情理之中。諾獎級別的成果往往都是耕耘數十年的重大成果和發現。

李志遠告訴記者，以這三位當中最年輕的美國科學家安德烈亞·蓋茲為例，1992年博士畢業於美國加州理工學院後，到加州大學做助理教授開始就從事黑洞研究。德國科學家萊因哈德·根澤爾就更早一些進入該領域，在美國著名的馬克斯·普朗克地外物理所研究所開展工作。「這兩位科學家各自領導著一個天文學家小組，自20世紀90年代初以來，他們一直專注於銀河系中心一個叫做人馬座a*的區域，所用的都是10米級大口徑、探測能力最強的望遠鏡，監測圍繞黑洞運轉的一些恆星，繪製出恆星的運行軌道。」

「這樣的軌道最短的周期也在十幾年左右，所以你必須要監測十幾年以上。」李志遠告訴記者，30年間軌道周期最短的已經走了將近兩圈，最外面的恆星軌道剛剛或是接近走完一圈，所以距離銀河系中央最亮恆星的軌道已經被越來越精確地繪製出來。

李志遠說，這兩組人的測量結果一致，在這些恆星運轉的軌道上，都發現了一個共同的「沉重」焦點。大約400萬個太陽質量聚集在一個不比我們的太陽系大的區域，牽引著恆星以令人眩暈的速度四處奔波。「這個超大質量物體，為我們提供了迄今為止黑洞在宇宙中真實存在的最有說服力的證據，這是一項開創性的工作。」

利用世界上最大的望遠鏡，兩位科學家也發明了一種觀測方法，「因為地面上的望遠鏡穿過大氣層看宇宙，需要克服大氣的湍流，他們通過雷射束來實時測定湍流的效應，並某種程度上抵消其影響，達到望遠鏡衍射極限，改進了觀測技術並致力於長期研究。」李志遠說。

李志遠告訴記者，在美國有段時間他曾在世界知名的銀河系中心組工作，安德烈亞·蓋茲是核心成員和領導者之一。「近十年我們與那邊一直保持學術交流，今年我們就有一篇論文與安德烈亞·蓋茲那邊合作。」李志遠說，安德烈亞·蓋茲首先是一位非常嚴肅的科學家，她發論文的周期都很長，但每一篇論文都是業界的標杆，可以說是30年將一個事情做到極致，她也很少去考慮其他方向的問題研究。

未來，蟲洞是否也會被證實存在？

四年中獲得三次諾貝爾物理學獎，很多人戲稱天文學成了最大贏家。在劉四明看來，這不僅是對黑洞領域理論和實驗工作的認可，更會進一步激發該領域的科學家探索很多宇宙的奧秘。

「這些年關於引力波的探測，以及黑洞成像觀測，確實是非常重要的進展，但是放在黑洞研究的整個框架下看的話，這是研究過程中的一個階段性成果。」劉四明認為，黑洞的性質非常神秘，還有許多值得深入研究的問題，「比如黑洞的形成機制是什麼，怎麼演化，將是一個非常有挑戰性的課題。」

他舉例道，在引力波探測中，科學家們看到的是兩個質量比較大的黑洞相互繞行，最後變成一個黑洞，由此產生非常強的引力波。但在觀測到引力波之前，並沒有天文學家預言有這樣的雙黑洞系統存在，事實上直到今天，這種雙黑洞系統是怎麼形成的，依然還不是很清楚。

此外，超大質量黑洞是怎麼形成的？目前，人類用已有的觀測手段觀察到的黑洞有兩類，一類是小於幾十個太陽質量的黑洞，一類是100萬個質量以上的超大質量黑洞。後者主要存在於星系的中心。「宇宙本身的壽命是有限的，但是現在的科學觀測發現，在宇宙非常年輕的時候，也有超大質量黑洞存在的證據，那麼這種黑洞又是怎麼形成的呢？」像這些未解決的科學問題，都還有待科學家們持續深入地開展研究。

曾經，黑洞只是科幻小說裡面的一個概念，現在變成了真實的存在，並成為科學研究的前沿。那麼在未來，蟲洞是否也會被證實存在呢？

「蟲洞，首先是從數學上有人提出這樣一個可能性，然後從科幻的角度來看，人們認為如果有蟲洞的話，我們就可以通過這個捷徑從一個星系很快地穿越到另外一個星系。但是根據我們現在所掌握的物理和天文知識，這是不可能實現的，或者說蟲洞是無法形成的。」劉四明告訴記者，現在已有科學家試圖通過引力波的探測來看看有沒有蟲洞存在的可能，如果能夠證實，整個天文學和宇宙學的認知都要產生非常大的改變。

李志遠說，黑洞的挑戰性和吸引力一直很大，以視界望遠鏡來說，它第一個目標就是銀心的黑洞，「雖然首張照片拍攝的是室女座橢圓星系M87中心的超大質量黑洞，但主要是因為觀測角度和數據分析相對容易，未來我們可以期待銀心黑洞的照片的發布。」

正如諾貝爾物理學委員會主席大衛·哈維蘭所說，「今年獲獎者的發現為緊湊和超大質量物體的研究開闢了新天地。但是，這些奇異的物體仍然提出了許多問題，這些問題需要解答，並激勵了未來的研究。」

交匯點記者 楊頻萍 蔡姝雯