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黑洞的神秘和神奇-2020年物理诺贝尔奖介绍 精选

已有 3573 次阅读 2021-2-3 04:00 |个人分类:学海无涯|系统分类:科普集锦

黑洞这个概念,对大众都不陌生了。它是一个超高引力场的存在。黑洞周围的引力场如此强大,任何物质包括光都会被捕获而有去无回。而在广义相对论理论里,黑洞是一个带有发散点的特殊解,标志着时空结构的高度扭曲。黑洞的存在很容易想象,但性质却很深奥。所以它成为很多科幻小说里的神器。

但是在物理上提出一个新形态,却要面对两个问题。一个是它在理论上是否可能?第二个是它在现实世界中是否真的存在?2020年物理诺贝尔奖,就是发给了回答这两个问题的科学家。

在理论上,黑洞是比较容易理解的。即使在牛顿物理中,也很容易想象一个超重的星体,周围物体即使以光速运动也逃不出它的引力。(当然在经典物理中允许超光速运动的物体,它们还是能逃逸这样的引力场的)。广义相对论提出不久,德国物理学家施瓦西(Schwarzschild)就发现了它的一个独特的解,在中心和某个半径的地方会发散。三十年代,美国物理学家欧本海默(Oppenheimer,后来主持了发展原子弹的曼哈顿计划)和学生指出,在那个有发散的半径内,任何信息(除了引力)都不能逃逸出去。这就是黑洞的概念了。那个半径也被称为视界(event horizon)或施瓦西半径。所以要形成黑洞,就需要它的质量分布在施瓦西半径以内,也就是要有足够高的密度。而施瓦西半径是与质量成正比的。所以任何质量都能形成黑洞,但质量越大的黑洞要求的密度越低,可能越接近现实。一个质量10倍于太阳的黑洞,其施瓦西半径为30公里。所以它的密度比太阳高14个数量级。这样的黑洞已经被观测到,可能是老旧恒星燃料耗尽后塌缩的产物。而一个质量与月球相同的黑洞,施瓦西半径只有0.1毫米。它的密度要更高16个数量级,没有目前已知的物理过程能达到。

欧本海默虽然解释了黑洞,但并没有证明有了足够密度后黑洞一定会出现。这是因为他的理论假定了物质分布是球对称的。打个超简单的比方:如果物质分布是球对称的,那所有物质都被引力拉向中心而崩塌到一个点。但如果不是球对称,则各部分的物质会有不同的塌缩路线,形成一个像太阳系那样相互绕转的结构而非一个点。然而自然界里没有严格球对称的物质分布。所以黑洞虽然在理论上说得通,但在现实中是否存在还是个问题。

这时候我们的第一位主角,2020年诺贝尔物理奖得主彭罗斯(Roger Penrose)闪亮登场了。1965年,拿到数学博士不到十年的彭罗斯发表了他的黑洞理论,证明黑洞的形成不需要球对称性。到了1970年,彭罗斯和霍金(Stephen Hawking)进一步去掉了理论中的一个假定,从而令人信服地证明:只要物质的质量和密度满足一定关系,就一定会崩塌成黑洞。在这个过程中,彭罗斯不但推广了前人的结论,而且独辟蹊径,用拓扑学的处理方法摆脱了对物质分布细节的依赖。这个视角把对于黑洞的理解推进了一步。随后,彭罗斯和霍金还建立了黑洞与宇宙起源的联系。

其实除了广义相对论领域外,彭罗斯还有一项重大的物理贡献,就是彭罗斯镶嵌。我们在中学里都学过,只有三角形,四边形和六边形的“瓷砖”可以无缝隙地镶嵌整个平面,形成三度,四度和六度旋转对称。而彭罗斯在数学上提出一种五度对称的镶嵌,是用两种不同的“瓷砖”实现的。后来人们真的发现了这种五度对称的 “准晶体”(quasicrystal)。这是一种有旋转对称但没有平移对称(所以不是晶体)的新型材料结构。这个工作得了2011年诺贝尔化学奖。

让我们回到黑洞问题。基于广义相对论,彭罗斯在数学上证明了高密度质量分布一定导致黑洞。这样“黑洞在现实中存在”就依赖于两个条件。一个是广义相对论的正确性(特别是在黑洞附近超强引力的情况下),另一个是高密度物质分布的存在。这里所谓的“高密度”,就是指物质集中在施瓦西半径之内。其具体密度“门槛”与总质量有关。

至今的天文观测已经发现了很多黑洞的踪迹。有些黑洞的质量不是很大。如2016年首次探测到的引力波(2017年诺贝尔物理奖),其波源就是两个质量为太阳三十倍的黑洞相互绕行而最终合并。而我们下面要关注的是另一类超大型黑洞(supermassive black hole),其质量是太阳的上亿倍甚至几十亿倍。

有些超大型黑洞其实是发光的,被称为“类星体”(quasar)。类星体是太空中一种独特的辐射源。它的尺度比太阳系更小些,但却有星系级的辐射功率。所以它的质量必须超大,这样引力才能抵消辐射压而不让物质飞散开去。这就意味着它的密度远远超出任何已知的星际物质形态。所以从一开始,人们就怀疑类星体与黑洞有关,从而对寻找黑洞产生了信心。彭罗斯当年就是被类星体的发现吸引到黑洞研究中去的。后来,彭罗斯和霍金发展了解释类星体辐射的理论。他们指出类星体的光源是围绕在黑洞周围的星体云。在一些物质“掉进”黑洞的同时,另外大约40%的物质会转变成能量辐射出来。后来对类星体的精细观测证实了彭罗斯和霍金对其辐射性质的预测,从而坐实了它背后的黑洞存在。这也是对广义相对论的一个成功验证。

人们进一步发现,很多星系的中心都有类星体作为核心。其中的超大型黑洞在星系的起源和维系中都起着重要作用。但是超大型黑洞不一定是类星体。如果周围没有大量可供捕获的星体云,那个黑洞就不会有强烈辐射。但是如果没有辐射,遥远的黑洞就很难被探测到。于是人们把目光收回到我们自己的银河系。银河系中心没有类星体,但有超大型黑洞吗?这就是我们的另外两位主角的出场时刻了。

2020年诺贝尔奖的另一半颁给根策尔(Reinhard Genzel)和盖兹(Andrea Ghez),表彰他们发现银河系中心的“超大型致密天体”。

在银河系中心,确实有不少星星绕着一个看不见的引力中心运转。如果我们跟踪那些轨道,就能算出引力中心的质量。但它是不是黑洞呢?回答这个问题的关键,在于它的密度。也就是说,它的物质分布范围是不是在施瓦西半径以内。而这个分布范围的上限,就是星体绕行轨道中的最小半径。所以归根结底,我们要观察银河系中心深处的星体运动。要在那个群星密集的区域跟踪个别星体的运动,需要非常高质量的天文成像技术。

很多遥远天体的观察(包括类星体的观察)是由哈勃望远镜完成的。哈勃望远镜其实是一颗卫星,在绕地轨道上工作。因为没有“尘世间”的种种干扰,它能得到稳定清晰的图像。但在观察银河系中心时,我们必须采用红外波段来避免星际尘粒对可见光的吸收。因为波长增加了,望远镜的口径也要增加,所以无法放在卫星上,只能从地面“仰望星空”。于是我们就必须面对大气干扰的挑战了。

我们在河边看水底卵石时,会觉得它们不停地在漂移变形。这是因为水流的表面和密度在变化,使得光线传播的方向不稳定。在地面观察星星时,大气的扰动也会造成同样效果。我们通常看到夜空的星星会“眨眼”,就是这个道理。在我们观察遥远星体时需要加长曝光时间来收集微弱的星光。如果目标在漂移,照片就模糊了。

幸运的是,当根策尔和盖兹的团队观察银河系中心时,电子成像技术已经比较发达了。他们先是采取了“散斑成像”(speckle imaging)技术。这个方法先抓取很多短曝光时间的影像(在短时间里大气近似稳定)。然后通过影像处理技术来修正不同影像之间的位移(由大气扰动造成),再把影像加起来得到长曝光效果。这种办法因为种种限制,得到的改进还是有限的。后来人们开发了更优越的“自适应光学”技术:在望远镜的反射面上装上驱动器,使得反射面可以随时变形,抵消大气扰动造成的光路变化。这样就可以直接进行长曝光而得到清晰的影像了。(自适应光学源自天文研究,现在不少其他工程领域也有应用。)

采用这些技术后,根策尔和盖兹花了十几年追踪银河系中心轨道最小的那些星体,测算那个隐形引力中心的大小和质量。他们的最新结果是:星体轨道半径的最小值大约是施瓦西半径的四倍。虽然这还不是黑洞的“铁证”(因为可能的物质分布范围还是比施瓦西半径大),但这个物质密度已经远远大于任何其它已知的星体结构。所以现在大家都相信,我们的银河系中心有一个超大型黑洞。

不仅如此,这两个团队还进行了银河系中心多个星体辐射和轨道的详细测量,观察到引力红移,轨道进动等广义相对论效应,从而证明广义相对论在黑洞附近的超强引力场条件下仍然是正确的。他们目前还在继续提升观测能力,希望以那些星体为“探针”,发现更多的黑洞性质。

过去半个多世纪来,黑洞已从一个玄妙的理论概念变成了可观测可预言的现实研究对象。在这个旅程中,2020年诺贝尔物理奖得主们作出了重大贡献。他们从理论上和观测上证实了黑洞的存在并开拓了进一步研究的疆界。今天的宇宙学和天文学研究已经离不开黑洞的概念了。在广义相对论中,黑洞是一个发散的数学解。而在现实中,发散是不可能的。也就是说,在发散的地方(奇点),广义相对论是不能描述现实的,我们需要更精确的理论,很可能是量子化的引力论。如果黑洞研究催生了新的引力理论,那就对整个物理理论体系都有重大影响,说不定还能带来“大统一”的圣杯。而黑洞内部的情形又无法直接观测,所以发展了新理论还需要其它实验观测手段配合验证。黑洞和其它物理领域的联系会越来越紧密。彭罗斯,根策尔,盖兹等人工作的意义,也会在未来进一步显示出来。




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