探索 | 黑洞“吸”走诺奖,未来虫洞是否也会被证实存在?

全国党媒信息公共平台 阅读:7240 2020-10-13 22:28:37

原标题:探索 | 黑洞“吸”走诺奖,未来虫洞是否也会被证实存在?

交汇点讯 有科学家说,宇宙是未来重大科学发现的温床,有许多的秘密会来自于天上。 黑洞,“吸”走了今年的诺贝尔物理学奖。奖项一半授予罗杰·彭罗斯,另一半授予莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹,前者是因为“发现广义相对论预测了黑洞的形成”,后者则因为“发现银河系中心的超大质量黑洞”。 正如颁奖人所表示,今年的奖项关乎“宇宙最黑暗的秘密”——三位获奖人都因在黑洞研究方面所做的卓越贡献而获奖。诺奖花落“黑洞”意味着什么?记者联系到中国科学院紫金山天文台和南京大学天文与空间科学的专家为我们解读。

加深我们对世界认知的又一个里程碑

“诺贝尔奖的一个重要特征,就是奖励突破人类认知的一些新发现,黑洞就是这样一个例子。”中国科学院紫金山天文台研究员刘四明说,以前,很多人都不相信黑洞是真实存在的,但是现在大量的天文学观测证明,黑洞确实存在于宇宙中。而2017年诺贝尔物理学奖颁给了研究“双黑洞并合引发的引力波”的三位科学家,以及2019年第一张黑洞照片的问世,使得今年的诺贝尔奖花落黑洞“并不让人意外”。 科学研究需要好奇心和想象力,天文学更是如此。刘四明认为,突破人类认知的、原创性的科学发现,更多的源于科学家们强烈的好奇心和求知欲,“人类之所以跟很多其他生物不一样,是因为人类有理性、会思考,可以发展各种各样的工具去探测我们看不见摸不着的东西。从这种意义上讲,诺贝尔奖颁给黑洞研究者,正是激励人类不断拓宽、加深我们对生存的世界的认知的又一个里程碑。” 今年物理学奖的黑洞“获奖组合”,前者是理论研究,后者是天文观测,它们既是物理与天文的完美结合,也是理论与实践的统一。 罗杰·彭罗斯的获奖理由是“发现广义相对论预测了黑洞的形成”。南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉告诉记者,作为牛津大学数学系名誉教授的彭罗斯是霍金多年的好友,在业界眼里,他与其说是一位物理学家,不如说是一位数学家和数学物理学家,他对物理的最大的贡献都和数学相关。 提出“预见”广义相对论的爱因斯坦并不相信黑洞的存在,但彭罗斯通过严谨的数学逻辑证明,爱因斯坦的广义相对论能够有力地预测黑洞的形成。 彭罗斯建立的一个数学定理表明,基于几个合理的假设(通过使用当时大部分物理学家并不熟悉的整体/拓扑技术),一颗坍缩中的、质量过大的恒星最后会在时空中坍塌形成一个奇点,并在其周围形成一个封闭的空间,能够把光也束缚在其中。在这个中心的奇点处,密度和时空曲率都被预期会变得无穷大的地方——为我们提供了现在称之为“黑洞”的物体的一个图像。爱因斯坦的经典广义相对论将不再适用,黑洞可以形成。 莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹则通过观测“发现银河系中心的超大质量黑洞”。“两位科学家在上世纪90年代初就一直专注于银河系中心区域的观测研究,通过自适应光学系统,修正大气扰动对恒星的观测位置带来的干扰,他们系统分析了银河系中心区域几十颗恒星的运动特征,最终在银河系中心发现了一个非常重且看不见的物体。这个神秘的物体就是黑洞。”刘四明说。

仰望星空三十年,近十年方“开花结果”

“这三位获奖者都至少在该领域有30年的耕耘,在最近10年才慢慢到开花结果的时候。罗杰·彭罗斯的研究更远远超过三十年。”南京大学天文与空间科学学院教授李志远告诉记者,“黑洞”获奖非常令人惊叹,但又在情理之中。诺奖级别的成果往往都是耕耘数十年的重大成果和发现。 李志远告诉记者,以这三位当中最年轻的美国科学家安德烈亚·盖兹为例,1992年博士毕业于美国加州理工学院后,到加州大学做助理教授开始就从事黑洞研究。德国科学家莱因哈德·根泽尔就更早一些进入该领域,在美国著名的马克斯·普朗克地外物理所研究所开展工作。“这两位科学家各自领导着一个天文学家小组,自20世纪90年代初以来,他们一直专注于银河系中心一个叫做人马座a*的区域,所用的都是10米级大口径、探测能力最强的望远镜,监测围绕黑洞运转的一些恒星,绘制出恒星的运行轨道。” “这样的轨道最短的周期也在十几年左右,所以你必须要监测十几年以上。”李志远告诉记者,30年间轨道周期最短的已经走了将近两圈,最外面的恒星轨道刚刚或是接近走完一圈,所以距离银河系中央最亮恒星的轨道已经被越来越精确地绘制出来。 李志远说,这两组人的测量结果一致,在这些恒星运转的轨道上,都发现了一个共同的“沉重”焦点。大约400万个太阳质量聚集在一个不比我们的太阳系大的区域,牵引着恒星以令人眩晕的速度四处奔波。“这个超大质量物体,为我们提供了迄今为止黑洞在宇宙中真实存在的最有说服力的证据,这是一项开创性的工作。” 利用世界上最大的望远镜,两位科学家也发明了一种观测方法,“因为地面上的望远镜穿过大气层看宇宙,需要克服大气的湍流,他们通过激光束来实时测定湍流的效应,并某种程度上抵消其影响,达到望远镜衍射极限,改进了观测技术并致力于长期研究。”李志远说。 李志远告诉记者,在美国有段时间他曾在世界知名的银河系中心组工作,安德烈亚·盖兹是核心成员和领导者之一。“近十年我们与那边一直保持学术交流,今年我们就有一篇论文与安德烈亚·盖兹那边合作。”李志远说,安德烈亚·盖兹首先是一位非常严肃的科学家,她发论文的周期都很长,但每一篇论文都是业界的标杆,可以说是30年将一个事情做到极致,她也很少去考虑其他方向的问题研究。

未来,虫洞是否也会被证实存在?

四年中获得三次诺贝尔物理学奖,很多人戏称天文学成了最大赢家。在刘四明看来,这不仅是对黑洞领域理论和实验工作的认可,更会进一步激发该领域的科学家探索很多宇宙的奥秘。 “这些年关于引力波的探测,以及黑洞成像观测,确实是非常重要的进展,但是放在黑洞研究的整个框架下看的话,这是研究过程中的一个阶段性成果。”刘四明认为,黑洞的性质非常神秘,还有许多值得深入研究的问题,“比如黑洞的形成机制是什么,怎么演化,将是一个非常有挑战性的课题。” 他举例道,在引力波探测中,科学家们看到的是两个质量比较大的黑洞相互绕行,最后变成一个黑洞,由此产生非常强的引力波。但在观测到引力波之前,并没有天文学家预言有这样的双黑洞系统存在,事实上直到今天,这种双黑洞系统是怎么形成的,依然还不是很清楚。 此外,超大质量黑洞是怎么形成的?目前,人类用已有的观测手段观察到的黑洞有两类,一类是小于几十个太阳质量的黑洞,一类是100万个质量以上的超大质量黑洞。后者主要存在于星系的中心。“宇宙本身的寿命是有限的,但是现在的科学观测发现,在宇宙非常年轻的时候,也有超大质量黑洞存在的证据,那么这种黑洞又是怎么形成的呢?”像这些未解决的科学问题,都还有待科学家们持续深入地开展研究。 曾经,黑洞只是科幻小说里面的一个概念,现在变成了真实的存在,并成为科学研究的前沿。那么在未来,虫洞是否也会被证实存在呢? “虫洞,首先是从数学上有人提出这样一个可能性,然后从科幻的角度来看,人们认为如果有虫洞的话,我们就可以通过这个捷径从一个星系很快地穿越到另外一个星系。但是根据我们现在所掌握的物理和天文知识,这是不可能实现的,或者说虫洞是无法形成的。”刘四明告诉记者,现在已有科学家试图通过引力波的探测来看看有没有虫洞存在的可能,如果能够证实,整个天文学和宇宙学的认知都要产生非常大的改变。 李志远说,黑洞的挑战性和吸引力一直很大,以视界望远镜来说,它第一个目标就是银心的黑洞,“虽然首张照片拍摄的是室女座椭圆星系M87中心的超大质量黑洞,但主要是因为观测角度和数据分析相对容易,未来我们可以期待银心黑洞的照片的发布。” 正如诺贝尔物理学委员会主席大卫·哈维兰所说,“今年获奖者的发现为紧凑和超大质量物体的研究开辟了新天地。但是,这些奇异的物体仍然提出了许多问题,这些问题需要解答,并激励了未来的研究。” 交汇点记者 杨频萍 蔡姝雯

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