諾貝爾物理學獎三人分享 驗證相對論發現黑洞

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瑞典皇家科學院6日宣布,今年諾貝爾物理學獎授予3名科學家,因為「他們發現了宇宙中最奇異的現象之一黑洞」。英國科學家彭羅斯因證明黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結果而獲獎;德國科學家根策爾和美國女科學家蓋茲因在銀河系中央發現超大質量黑洞而獲獎。

■英國科學家彭羅斯(右)獲諾貝爾物理學獎。美聯社/法新社

瑞典皇家科學院說,89歲的彭羅斯(Roger Penrose)使用巧妙的數學方法,證明黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結果。他證明了黑洞確實可以形成,並對其進行了詳細描述。他的開創性論文被認為是愛因斯坦之後對廣義相對論的最重要貢獻。

■德國科學家根策爾獲諾貝爾物理學獎。美聯社/法新社

科學院還說,1990年代初以來,現年68歲的根策爾(Reinhard Genzel)和55歲的蓋茲(Andrea Ghez)分別領導一個科研小組,用各種先進的望遠鏡觀測銀河系中央一個名為「射手座A *」的區域。他們都發現了一個質量非常大且看不見的天體:在不超過太陽系的空間中聚集了約400萬個太陽的質量,使周邊恆星急速旋轉。這一開創性工作提供了迄今最令人信服的證據,即銀河系中央有一個超大質量的黑洞。

■美國女科學家蓋茲獲諾貝爾物理學獎。美聯社/法新社

愛因斯坦提出的廣義相對論顛覆了傳統的空間和時間概念。他的方程式預言了黑洞的存在:大質量的天體會使空間彎曲、時間減慢,一個超大質量的天體甚至能吞噬光線,從而形成一片「絕對黑暗」的空間,這就是黑洞。

在愛因斯坦去世10年後,彭羅斯用巧妙的數學方法論證了黑洞可以形成,並對其進行了詳細描述:在黑洞的核心隱藏着一個奇點,它的時空曲率無窮大,密度也趨於無限大。一旦物質開始坍縮,就沒有什麼能阻止坍縮的繼續,所有物質只能沿一個方向走向奇點。這是一條通往時間盡頭的「單行道」。

彭羅斯這篇開創性的論文發表於1965年1月,至今仍被認為是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻。現在,黑洞的中心存在奇點已成為科學界的普遍認識,黑洞引力非常強大,甚至連光線也無法逃逸,沒有光線射出的邊界稱為「事件視界」。直接窺視黑洞是不可能的——黑洞所有的秘密都藏在它的事件視界內。

利用恆星的軌道作為嚮導,根策爾和蓋茲提出了迄今最有說服力的證據,證明銀河系中心隱藏着一個看不見的超大質量天體。

諾貝爾物理學獎評委會主席哈維蘭德表示,今年獲獎者的發現開創了緻密和超大質量天體研究的新領域。但這些奇異天體還有很多問題急需解答。他說:「不僅有關於它們內部結構的問題,還有關於如何在黑洞周邊的極端條件下測試我們的引力理論的問題。」蓋茲在現場電話連線時說,促使她進入該研究領域的,「首先是懷疑與興奮等綜合因素,我們仍然不知道黑洞中有什麼,這是令人着迷的一部分」。

彭羅斯出生於英國,現為牛津大學教授;根策爾生於德國,現任德國馬克斯.普朗克地外物理研究所所長,併兼任美國加州大學柏克萊分校教授;蓋茲生於美國,現為加州大學洛杉磯分校教授。蓋茲也是迄今第四位獲諾貝爾物理學獎的女性科學家。3位科學家將分享1000萬瑞典克朗獎金(約112.4萬美元),彭羅斯獲得其中一半,根策爾和蓋茲共享另外一半。

同做黑洞觀測從未合作 冤家聚頭獲獎

諾貝爾物理學獎今年頒給研究黑洞的三名學者。學者爆料指根策爾和蓋茲兩人在觀測領域是死對頭,68歲的根策爾是最早做黑洞觀測,卻被55歲的後起之秀蓋茲以較好的設備「超車」,兩人幾乎有點「王不見王」的味道。

台灣中央研究院天文及天文物理研究所特聘研究員朱有花表示,根策爾是最早開始觀測黑洞的先驅,他使用的是歐南天文台8米望遠鏡,但這全歐的人都可以用;蓋茲資源比較多,在美國加州大學洛杉磯分校用10米Keck望遠鏡,聚焦更敏銳,量得更準確。不過根策爾和蓋茲卻是死對頭,因為提出黑洞最佳證據的是蓋茲,對學界泰斗根策爾來說情何以堪。黑洞圈很小,大都互相認識,學界開專題會議時兩人也都會來,但是並未合作。

另據台灣大學梁次震宇宙學講座教授陳丕燊表示,物理學家霍金之所以研究黑洞,就是受到彭羅斯的啟發。陳丕燊提到,彭羅斯和霍金兩人發表「奇點定理」,證明廣義相對論,在一定條件下密度會高到無限大,變成一個奇點,奇點周圍連光都出不去,稱之為「黑洞」;彭羅斯和霍金曾因此研究,共同被授予向來有諾貝爾獎前哨之譽的沃爾夫獎,可惜霍金已過世。

距摘冠只差一步 有時要靠運氣

通過歷屆頒獎可以看到,想史上留名,除憑藉實力外,還依靠一點運氣。

諾貝爾基金會的章程中,有一項規定是一份獎金不能多於3人分享,即同一獎項每年最多只能有3人獲獎。這意味着一些「不夠幸運的人」,會因這「機制」而拿不到獎。愈來愈多科學研究是通過團隊合作進行,有些更是跨國和跨學科。現今大多數科學文章都是合著,要選出當中貢獻最大的人其實很難。諾貝爾物理學獎2017年的得主為來自韋斯(Rainer Weiss)、巴里什(Barry C. Barish)與索寧(Kip S. Thorne),獲獎理由是他們為「激光干涉引力波天文台」(LIGO)項目與觀測引力波作出決定性的貢獻。

「激光干涉引力波天文台」是1000多名研究人員的成果。該項目最重要的一篇論文是由來自20多個國家的355人合著,但最終僅3人獲獎。韋斯得知自己獲獎後也說:「我更多地認為,這是在認可約1000人(完成)的工作」 。

提到愛因斯坦,大家首先想到的便是他的相對論,他提出相對論後自1910年就被提名,不過他最後在1921年以發現光電效應定律獲諾貝爾物理學獎。因同一緣由「錯失」諾貝爾獎的著名科學家還有霍金。他1974年提出通過「霍金輻射」來觀察黑洞,但也因為理論「過於超前」,無法被證實,成為他永遠的遺憾。

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