2020年諾貝爾物理學獎：他們發現了宇宙中最奇異的現象之一「黑洞」

北京時間10月6日18時許，瑞典皇家科學院宣布2020年諾貝爾物理學獎獲得者有三位：Roger Penrose，因為他發現了「黑洞形成的發現是廣義相對論的有力預測」；Reinhard Genzel和Andrea Ghez，因為他們「在銀河系中心發現了一個超大質量的緻密天體」。

黑洞和銀河系最黑暗的秘密




三位諾貝爾物理學獎得主分享了今年的諾貝爾物理學獎，因為他們發現了宇宙中最奇異的現象之一——黑洞。




Penrose指出，廣義相對論導致了黑洞的形成。Genzel和Ghez發現，在銀河系中心，一個看不見的、極其重的物體控制著恆星的軌道，目前唯一的解釋就是有超大質量黑洞的存在。







• 超大質量黑洞




Penrose在他的證明中使用了巧妙的數學方法，證明黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結果，雖然愛因斯坦自己並不相信黑洞真的存在。




1965年1月，也就是愛因斯坦去世十年後，Penrose證明了黑洞確實可以形成，並對其進行了詳細描述：在黑洞的核心，隱藏著一個點，在那裡，所有已知的自然法則都停止了，直至今日，他開創性的文章仍然被認為是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻。






人類歷史上第一張黑洞照片

Genzel和Ghez各自領導了一個天文學家小組，從20世紀90年代初開始，他們就把重點放在了銀河系中心一個名為Sagittarius A*的區域上，逐漸繪製出越來越精確的最亮最靠近銀河系中心的恆星軌道，這兩組的測量結果一致，都發現了一個非常重的、看不見的物體，它牽引著這一團恆星，使它們以令人眩暈的速度四處亂竄，也就是說大約400萬個太陽的質量聚集在一個不比我們的太陽系大的區域裡。




利用世界上最大的望遠鏡，Genzel和Ghez開發了一種方法，可以穿透星際氣體和塵埃組成的巨大雲團，看到銀河系的中心。他們拓展了技術的極限，改進了新技術，以彌補地球大氣造成的扭曲，建造獨特的儀器，並致力於長期的研究。他們的開創性工作為我們提供了迄今為止最令人信服的證據，證明銀河系中心存在一個超大質量黑洞。




「今年獲獎者的發現為緻密和超大質量物體的研究開闢了新的領域。但這些奇異的物體仍然提出了許多問題，需要得到答案，並推動未來的研究。不僅是關於它們內部結構的問題，還有如何在黑洞附近的極端條件下檢驗我們的引力理論的問題。」諾貝爾物理學獎委員會主席David Haviland表示。




這是諾獎連續兩年關注在天體物理學領域，去年諾獎頒布給了宇宙學理論和地外行星的發現者。




對此，北師大天文系教授張同傑表示：「從去年開始小小打破了諾獎的規則，去年頒給宇宙學的James Peeble，只有理論，當然也算是有觀測支持，但是不直接，今年的Roger Penrose更是這樣。如果這樣的話，霍金如果沒有去世也該獲得本次諾貝爾獎。另外兩位獲獎還算說得過去，發現了新天體。今年Roger Penrose的黑洞獲獎也算是有觀測支持，如引力波雙黑洞，但是都不直接。」




銀河系中心區域令人驚嘆，這段視頻由ESO的甚大望遠鏡上搭載的HAWK-I紅外成像儀拍攝，視頻來自ESO。




2020諾貝爾物理學獎獲得者




Roger Penrose

研究領域：數學物理




1931年出生於英國科爾切斯特，1957年畢業於英國劍橋大學，英國牛津大學教授。




Penrose撰寫了探討基礎物理與人類（或動物）意識之間聯繫的一些書籍。在《皇帝新腦》（1989）一書中，他聲稱已知的物理定律不足以解釋意識現象。他提議新物理學所具有的特性應該能填補經典物理學和量子力學（他本人稱之為正確的量子引力理論）之間的理論溝壑。




Reinhard Genzel

研究領域：天體物理學




1952年生於德國的巴特洪堡，1978年德國波恩大學博士學位，德國加興馬普地外物理研究所所長，美國加州大學伯克利分校教授。




目前，Genzel正在將他們的研究推向越來越小的空間尺度和越來越遠的距離，以達到在「大爆炸」之後的最初幾十億年中形成的星系。使用新一代的10m級地面望遠鏡（例如Keck望遠鏡）以及自適應光學和幹涉測量的新技術，近紅外成像和光譜學將在未來十年內放大到附近最深處的核心活躍的星系。這樣的高解析度技術將揭示中心黑洞是否存在，它們是如何被饋入，以及在那裡是否/如何形成恆星。




Andrea Ghez

研究領域：使用和開發高解析度的成像技術







1965年出生於美國紐約，1992年畢業於美國加州理工學院，獲博士學位，美國加州大學洛杉磯分校教授。




這是百餘年來，諾貝爾物理學獎史上第4位女性獲獎者。目前，她正在研究恆星形成和銀河中心的大黑洞。在她對恆星形成區域的研究中，她發現大多數（如果不是全部）年輕恆星都有伴星，並且大多數恆星的距離小於我們太陽系的大小。這就提出了許多有趣的問題：




緊密的伴星對這些年輕恆星周圍的行星形成有什麼影響？單顆恆星（例如我們的太陽）如何形成？什麼機制產生多顆恆星系統，什麼會影響它們的最終性質？




為了解決這些問題和其他問題，她在各種不同的望遠鏡上工作，主要觀察紅外波長的光源。




諾貝爾物理學獎近五年得主

 

2019年，諾貝爾物理學獎授予James Peebles,Michel Mayor和 Didier Queloz，以表彰在宇宙認知的顛覆性貢獻。美國普林斯頓大學教授James Peebles因「在宇宙物理學上的理論發現」獨享一半獎金，英國劍橋大學教授Didier  Queloz和瑞士日內瓦大學教授Michel  Mayor則因「發現一顆環繞類太陽恆星的系外行星」共享另一半。



2019年諾貝爾物理學獎3位獲獎者


2018年，美國科學家亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）、法國科學家傑哈·莫羅（Gerard Mourou）和加拿大科學家唐娜·斯特裡克蘭（Donna Strickland）獲獎，理由是「在雷射物理領域的突破性發明」。


2017年，三名美國科學家雷納·韋斯、基普·索恩和巴裡·巴裡什獲獎，理由是「在LIGO探測器和引力波觀測方面的決定性貢獻」。

2016年，三位英美科學家大衛·索利斯、鄧肯·霍爾丹、麥可·科斯特利茨獲獎，理由是「理論發現拓撲相變和拓撲相物質」。

2015年，日本科學家梶田隆章與加拿大科學家阿瑟·麥克唐納獲獎，理由是「發現中微子振蕩現象，該發現表明中微子擁有質量」。

「數讀」諾貝爾物理學獎

• 一共頒過112次：

1901年以來，諾貝爾物理學獎共頒發過113次。其中有六個年份沒有頒發過諾貝爾物理學獎，分別是1916、1931、1934、1940、1941和1942年。

根據組委會的章程，如果候選人的貢獻沒有達到要求，那麼獎金將被留至下一年。如果第二年仍然沒有合適人選，獎金將被加入到基金會的初始資金中。在兩次世界大戰期間，諾貝爾獎較少頒出。


• 共有210人獲獎：

1901-2016年，共210人次獲得了諾貝爾物理學獎。其中，美國物理學家John Bardeen（約翰·巴丁，1908年5月23日－1991年1月30日）因電晶體效應和超導的BCS理論在1956年、1972年兩次獲得諾貝爾物理學獎。

• 25歲與96歲：

在物理學獎得主中，有人登頂已是耄耋之年，但有人獲獎時才年逾弱冠。2018年，物理學獎的一半授予時年96歲的亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin），使他成為諾獎史上最年長獲獎者；



諾貝爾物理學獎最年長的獲獎者 亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）

而1915年，年僅25歲的勞倫斯·布拉格（William Lawrence Bragg）與父親（William Henry Bragg）一起摘得桂冠。



諾貝爾物理學家最年輕的獲獎者

勞倫斯·布拉格（William Lawrence Bragg）

• 3位女性獲獎者：

除了本次獲獎的Andrea Ghez，歷史上曾有3名女性獲得諾貝爾物理學獎，分別是「居裡夫人」瑪麗·居裡（Marie Curie）、德裔美國物理學家瑪麗亞·格佩特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）和2018年的得主唐娜·斯特裡克蘭。

其中，瑪麗·居裡兩度獲得諾獎。1903年，居裡夫婦和貝克勒爾由於對放射性的研究而共同獲得諾貝爾物理學獎。1911年，居裡夫人因發現元素釙和鐳再次獲得諾貝爾化學獎，成為世界上第一個兩獲諾貝爾獎的人。

• 6座華人物理學獎盃：

在這張「星光熠熠」的成績單中，華人佔據著重要位置。在百餘年中，物理學獎是華人拿獎最多的獎項，共6位華人科學家獲此殊榮：李政道、楊振寧、丁肇中、朱棣文、崔琦和高琨。

改變經典物理學中兩朵」小烏雲」

1901年，當第一屆諾貝爾物理學獎頒發時，經典物理學領域看上去正棲息在一個異常堅實的平臺上——早在1687年，牛頓的《自然哲學的數學原理》就奠定了經典力學，到十九世紀末，它已發展到相當完美的地步。

不過，「在物理學晴朗天空的遠處，還飄著兩朵小小的令人不安的烏雲」（源自開爾文1900年報告），這是指當時物理學還無法解釋的兩個實驗現象：熱輻射實驗，以及邁克耳孫-莫雷實驗。

正是這小小兩朵「烏雲」，讓經典物理學的局限性開始暴露，同時醞釀出了物理學20世紀的革命風暴。

量子力學的創立者是1918年獲得諾貝爾物理學獎的普朗克。而量子力學的集大成者，被認為是1933年拿到諾獎的狄拉克，1930年，他的《量子力學原理》綜合和發展了當時的研究成果。



1927年，第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開。因為發軔於這次會議的阿爾伯特·愛因斯坦與尼爾斯·玻爾兩人的大辯論，這次索爾維峰會被冠以「最著名」的稱號。 這張匯聚了物理學界智慧之腦的「明星照」則成了這次會議的見證。

但在經典物理向量子物理過渡的時期，也引發了物理學界一場意義深遠的辯論。在此段公案中，玻爾、玻恩、海森堡、泡利屬於一派，在他們對面站著的，則有愛因斯坦、薛丁格及德布羅意。這些大師，因其各自對量子物理的傑出貢獻而先後榮膺諾貝爾物理學獎。

1999年的諾貝爾物理學獎，頒給了荷蘭的胡夫特和韋爾特曼，同樣是以表彰他們在量子學領域的貢獻——闡明了物理學中弱電相互作用的量子結構。

從宏觀走入微觀

量子力學讓我們知道，微觀粒子具有波粒二象性，它們的運動不能用通常宏觀物體的運動規律來描述。

在20世紀的上半葉，人們已認識到，深入觀察微觀世界中的新粒子及其相互作用，是了解宏觀結構的必要過程——包括我們所在的世界以及更大尺度上的宇宙。時至今日，粒子物理學、天體物理學、宇宙學已被牢牢綁定在一起。

以原子為起點，亞原子的微觀世界和人類已知的最小成分，也在過去的一百年裡逐步的「滲透」到了諾貝爾獎獲得者的「作品」之中。

舉幾個例子。1921年物理學獎得主是著名的愛因斯坦，得獎理由是他對理論物理學的成就——特別是光電效應定律的發現；



光電效應示意圖：來自左上方的光子衝擊到金屬板，將電子逐出金屬板，並且向右上方移去。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦發表論文《關於光產生和轉變的一個啟發性觀點》，給出了光電效應實驗數據的理論解釋。這個突破性的理論不但能夠解釋光電效應，也推動了量子力學的誕生。

1935年英國的查德威克因發現中子而獲獎，中子自此「投身」到物理學科研工作中；

在此基礎上，費米證明了可由中子輻照而產生的新放射性元素的存在，並發現慢中子引發的核反應，榮膺1938年物理學獎；



費米夫婦在洛斯阿拉莫斯核物理研究所的合影


1939年，美國的勞倫斯因對回旋加速器的發明和發展，以及有關人工放射性元素的研究成果獲獎；

正是這種機器的問世，1951年，考克饒夫以及沃吞憑藉在用人工加速原子產生原子核嬗變方面的開創性工作捧得當年的獎盃……

類似的發現與傳承，在20世紀50年代更多的新粒子被發現後，不勝枚舉。

那些改變歷史的諾貝爾物理學獎

理論與基礎研究當然會對技術設備產生重要影響，但其中有一些，卻是劃時代的。

一個顯眼的例子發生在1965年。三位美國科學家——肖克利、巴丁及布喇頓因對半導體的研究和發現電晶體效應獲得諾獎，正是他們的發現直接導致電子電晶體的革命。

1964年，巴索夫、湯斯和普羅霍羅夫同獲諾貝爾物理學獎，理由是在量子電子學領域的基礎研究做出突出貢獻，他們的理論成果導致了基於激微波—雷射原理建造的振蕩器和放大器。

此外，有不少受諾貝爾物理學獎青睞的「作品」，都在當時那個年代表現出了相當直接的技術應用實力。

1912年瑞典的達倫，因發明用於控制燈塔和浮標中氣體蓄積器的自動調節閥而獲獎；

1953年獲獎的荷蘭的塞爾尼克，其對相襯法的證實導致發明了相襯顯微鏡；

1986年，魯斯卡憑藉第一臺電子顯微鏡獲獎，同年和他分享這一獎項的，還有賓寧與羅雷爾。

這些實用技術類的發明，意義之深遠並不亞於理論上的突破。要知道，核物理和粒子物理領域的研究進展，就一直強烈地依賴於先進的技術——有時甚至成為其背後的驅動力。

近年來，有些技術類發明，也已被證明是當代重要的通信和信息設備：20世紀的最後的諾貝爾物理學獎的得主之一基爾比，他的發明就為現代信息技術奠定了基礎。

1958年，基爾比製作了第一塊集成電路——後來被稱為「晶片」，徹底地開闢了電子電路小型化和大批量生產的道路。他與這一獎項的另兩位得主阿爾費羅夫和克勒默，共同創造了一場人們耳熟能詳的「IT革命」……



晶片之父，2000年諾貝爾物理獎獲得者基爾比







基爾比於1958年發明的世界上第一個集成電路


在諾貝爾獎已走過的一個世紀裡，物理學經歷著學科的革命與隨之而來的無數偉大思想的碰撞。

尼爾斯·玻爾說：「與普通真理相對立的是錯誤；與偉大思想相對立的，則是另一種偉大的思想。」

正是因有這樣的發展與爭論、演繹與碰撞，物理學才得以日趨完善和縝密，從而成就了它在諾獎百年中的榮光。

（本文未經造就授權，禁止轉載。）

編譯 | 歡歡

版面 | 李瑩









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