新聞背後｜諾獎「神奇天體」的至暗奧秘

中央紀委國家監委網站 姜永斌 報導 當地時間10月6日12點（北京時間18點），2020年諾貝爾物理學獎正式揭曉。瑞典皇家科學院決定將這一獎項的一半授予羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），另一半共同授予賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez），以表彰三人對黑洞的相關研究。這也是最近4年諾貝爾物理學獎第三次頒獎給天體物理領域。

3位物理學家因研究黑洞獲獎

諾貝爾獎委員會官方網站資料顯示，羅傑·彭羅斯1931年出生於英國科爾切斯特，1957年畢業於英國劍橋大學，是英國牛津大學教授。

賴因哈德·根策爾1952年生於德國巴特洪堡，1978年獲德國波恩大學博士學位，是德國慕尼黑馬克斯·普朗克太空物理學研究所所長、美國加州大學伯克利分校教授。

安德烈婭·蓋茲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，現任美國加州大學洛杉磯分校教授。

瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松宣布獲獎結果時介紹，羅傑·彭羅斯被授予2020年諾貝爾物理學獎的理由是「發現黑洞形成是廣義相對論的可靠預測」。

愛因斯坦提出的廣義相對論，將萬有引力解釋為時空的彎曲，但他本人並不認為黑洞真實存在。在愛因斯坦去世10年後的1965年1月，羅傑·彭羅斯使用巧妙的數學方法證明了黑洞確實可以形成，並進行了詳細描述。根據其計算結果，黑洞的中心隱藏著一個「奇點」，所有已知的物理學定律在其上都將不再適用。這項開創性的研究仍被視為對廣義相對論的最重要貢獻。

賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲則因「在銀河系中心發現了一個超大質量的緻密天體」獲獎。二人各自領導著一個團隊，自上世紀90年代初以來專注於銀河系中心的區域，並以高精度繪製了銀河系中部最亮恆星的軌道。兩個團隊均通過觀測結果計算發現，有一個大約四百萬個太陽質量的不可見緻密天體擾亂著恆星，令它們高速移動。這個令人信服的證據表明，銀河系中心是一個超大質量的黑洞。

最近4年3次頒獎給天體物理領域

最近十幾年，諾貝爾物理學獎呈現了一定的規律性，物理學的四大領域——天體物理學、粒子物理學、原子分子及光物理學、凝聚態物理學，輪番登臺。比如，2015年頒給了粒子物理學，2016年是凝聚態物理學，2017年是宇宙天體物理學，2018年是原子分子及光物理學範疇。雖然2019年的獲獎成果仍是宇宙天體物理學範疇，學界普遍認為，2020年粒子物理和凝聚態物理學領域研究獲獎的機會比較大。

然而，人們津津樂道的頒獎規律被打破，最近4年的諾貝爾物理學獎第三次頒給了天體物理領域，很多專家此前的預測都錯了。

中國科學院國家天文臺研究員、恆星級黑洞研究團組首席科學家苟利軍對這一結果也直呼「很意外」。但他告訴記者，諾貝爾獎的頒發也許並不存在所謂規律，而且可能與物理學各分支領域現階段的影響和成果無關。此次獲獎的黑洞研究，也都是幾十年前的成果。

「羅傑·彭羅斯的貢獻主要是上世紀60年代的，他通過理論計算證明了黑洞存在。而賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲的工作從上世紀90年代到本世紀初，他們通過實際觀測幫助我們認識到，各個星系中心普遍存在著黑洞。」苟利軍表示。

數據顯示，1901年至2020年，諾貝爾物理學獎的215位獲獎者中只有4位女性，居裡夫人是第一位，而今年的安德烈婭·蓋茲則是第四位。

安德烈亞·蓋茲在回答媒體提問時也表示，黑洞挑戰了人類對天體物理學的認知邊界。「黑洞的研究推動了我們對基礎科學的研究。我們一方面了解了黑洞是什麼，另一方面也理解了宇宙構成的基石。」

最神秘天體黑洞魅力無窮

作為宇宙中最神秘的天體之一，黑洞自誕生之日起便爭議不斷。

愛因斯坦廣義相對論預言，存在的一種密度非常大的特殊天體，它表面的引力大到任何東西甚至連光都跑不出來。德國物理學家史瓦西給出了廣義相對論的第一個嚴格解釋，他發現所有的天體都存在一個史瓦西半徑，如果天體的實際半徑比它的史瓦西半徑要小，那麼它就會變成一個黑洞。比如，太陽的史瓦西半徑是3千米。

黑洞的全部質量可以認為幾乎集中在其最中心的奇點。在巨大引力場的作用下，黑洞會表現出一些非常神奇的效應，比如黑洞周圍的時間會變得很慢。

目前公認的恆星級質量黑洞是由大質量恆星自身坍縮而形成的。當恆星的核燃料耗盡，即將到達生命的盡頭，就有可能演化為白矮星、中子星或者黑洞。

已逝英國物理學家史蒂芬·霍金曾提出「灰洞」和「霍金輻射」的猜想，認為被吸入黑洞深處物質的某些信息，會以能量的形式向外界發出輻射，黑洞並非「只進不出」。

2019年4月10日，多個國家的科研團隊經過10多年準備，通過「事件視界望遠鏡」項目深度分析大量觀測數據，得到了人類歷史上首張黑洞「正面照」，引發社會各界對黑洞的巨大熱情。

苟利軍研究黑洞已有20年。他告訴記者，國內研究黑洞的天體物理學家有很多，自己帶領的團隊研究方向是黑洞測量。2011年以來，團隊已對人類發現的第一個黑洞「天鵝座X-1」進行了兩次測量，先是測到14倍太陽質量，而最近又將黑洞質量精確到21倍太陽質量。

「對於黑洞這種特殊天體，要想準確測量難度很大，我們需要不斷改進和更新測量方法。」苟利軍介紹。

諾貝爾物理學獎成果離我們並不遙遠

很多人會認為諾貝爾獎成果應用離普通人非常遙遠，其實並非如此。

1901年第一屆諾貝爾物理學獎頒發給了德國物理學家威廉·康拉德·倫琴，他於1895年11月做實驗時發現了X射線，並借妻子的手拍攝了人類歷史上第一張X光片。這項偉大的發現開創了醫療影像技術，為人類診斷及治療疾病提供了新途徑，同時大大促進了粒子物理的發展。

還有一個典型例子是獲得1956年諾貝爾物理學獎的約翰·巴丁等3人，他們對半導體的研究和發現電晶體效應，構成了包括手機、電腦在內的所有現代電子電路的關鍵基礎元件。

此外，用於晶片的集成電路獲2000年諾貝爾物理學獎，用於存儲器的巨磁阻效應獲2007年諾貝爾物理學獎，用於相機的半導體成像器件獲2009年諾貝爾物理學獎，而2014年獲諾貝爾物理學獎的是藍光二極體，它使明亮而節能的白色光源成為可能。

就連天體物理學，其成果也會與人們的生活有所幫助。「以廣義相對論為例，一開始也看不出與大眾的聯繫，但現在每個人使用的衛星導航，其背後理論基礎就包括廣義相對論。」苟利軍認為，對黑洞等天體的研究，是一種智力挑戰，其根源也是人類的好奇心。一些基礎前沿研究在未來可能會帶來意想不到的價值。

科學探索永無止境

隨著領域細分和研究複雜性的加大，多數科研成果需要越來越多的大型實驗設備。比如，用於驗證希格斯玻色子存在的大型強子對撞機，就是個周長27公裡、跨越瑞士和法國兩個國家的粒子加速器。

不僅如此，諾獎還呈現出多元化合作的趨勢。從獲獎人數看，1945年以前，70%以上的諾貝爾物理學獎為單人獲獎。在這之後，接近80%的獎項為多人獲獎，最近一次獨享諾貝爾物理學獎的情況還要追溯到1992年。從獲獎者所屬的國家看，1930年以前，有61.3%的諾獎成果誕生在歐洲，德國的諾獎得主數量首屈一指。二戰前後，大批科技人才從歐洲湧入美國，科技中心隨著國際局勢的變化快速轉移。進入21世紀後，誕生諾獎的國家變得更加多元。而且，自然科學獎項中，物理、化學、生物三者交叉學科獲獎成果比例也在不斷上升。

諾貝爾獎近120年的歷史，同時也是人類科技史和世界史的縮影。瑞典化學家諾貝爾在1895年籤署遺囑設立獎項基金時未必想到，他的這一決定會在後世產生如此深遠的影響。而諾貝爾科學領域的獎項本身也早已超越一般的獎勵意義，成為激勵全世界相關科研人員不斷求索、進取的至高榮譽。

來源：中央紀委國家監委網站