諾貝爾明星巡禮系列（十）——黑洞的發(fā)現(xiàn)

2020諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)呓榻B

北京時(shí)間10月6日18:05，2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉獲獎(jiǎng)名單，英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家Roger Penrose （1931年出生）、德國天體物理學(xué)家Reinhard Genzel、美國天文學(xué)家Andrea Ghez共同獲獎(jiǎng)。Roger Penrose的獲獎(jiǎng)理由是“發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是對(duì)廣義相對(duì)論的穩(wěn)定預(yù)測(cè)”，Reinhard Genzel和Andrea Ghez的獲獎(jiǎng)原因是“發(fā)現(xiàn)銀河系中心的超大致密物體”。他們將分享1000萬瑞典克朗獎(jiǎng)金（約合760萬人民幣）。

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諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)114次頒獎(jiǎng)中，先后有215位科學(xué)家獲此殊榮。迄今為止，中國籍學(xué)者拿到諾貝爾獎(jiǎng)的只有莫言和屠呦呦兩人。2017年恢復(fù)中國籍的科學(xué)家楊振寧，在1957年摘得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，非中國國籍。楊振寧之后，一度被寄予摘下諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)厚望的美籍華人物理學(xué)家張首晟，于2018年12月意外離世，成為科學(xué)界巨大損失。

什么是黑洞？

黑洞（Black hole）“是時(shí)空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體”，它是一個(gè)空間區(qū)域，由于恒星運(yùn)行到生命終點(diǎn)時(shí)收縮后產(chǎn)生，其附近物體無法逃脫其引力，包括光，故黑洞不可見，也因此得名。黑洞不能被直接觀測(cè)，但可以通過黑洞對(duì)周圍環(huán)境的影響對(duì)其間接定位。根據(jù)黑洞本身的物理特性質(zhì)量、角動(dòng)量、電荷劃分，可以將黑洞分為五類——不旋轉(zhuǎn)不帶電荷的黑洞：它的時(shí)空結(jié)構(gòu)于1916年由史瓦西求出，稱史瓦西黑洞；不旋轉(zhuǎn)帶電黑洞：稱R-N黑洞，時(shí)空結(jié)構(gòu)于1916至1918年由賴斯納（Reissner）和納自敦（Nordstrom）求出；旋轉(zhuǎn)不帶電黑洞：稱克爾黑洞，時(shí)空結(jié)構(gòu)由克爾于1963年求出；一般黑洞：稱克爾-紐曼黑洞，時(shí)空結(jié)構(gòu)于1965年由紐曼求出；雙星黑洞：與其他恒星一塊形成雙星的黑洞。

早在1783年，英國地理學(xué)家約翰·米歇爾（John Michell）便提到：一個(gè)致密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。1798年，法國科學(xué)家拉普拉斯就根據(jù)牛頓建立的力學(xué)理論推測(cè)：“一個(gè)直徑像地球、密度為太陽250倍的發(fā)光恒星，在其引力作用下，將不允許它的任何光線到達(dá)我們這里。

1916年，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過計(jì)算得到了愛因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)真空解，這個(gè)解表明，如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周圍會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點(diǎn)周圍存在一個(gè)界面——“視界”一旦進(jìn)入這個(gè)界面，即使光也無法逃脫。這種“不可思議的天體”被美國物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒命名為“黑洞”。。借由物體被吸入之前的因高熱而放出和γ射線的“邊緣訊息”，可以獲取黑洞存在的訊息。推測(cè)出黑洞的存在也可借由間接觀測(cè)恒星或星際云氣團(tuán)繞行軌跡取得位置以及質(zhì)量。

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20世紀(jì)70年代，英國科學(xué)家霍金等人以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)黑洞作了更縝密的考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)像“蒸發(fā)”那樣穩(wěn)定地往外發(fā)射粒子，黑洞就不再是絕對(duì)“黑”的了?；艚疬€證明，每個(gè)黑洞都有一定的溫度，而且質(zhì)量越小的黑洞溫度就越高，質(zhì)量越大的黑洞，其溫度反而越低。大黑洞的溫度很低，蒸發(fā)也很微弱；小黑洞的溫度很高，蒸發(fā)也很猛烈，類似劇烈的爆發(fā)。一個(gè)質(zhì)量像太陽那么大的黑洞，大約需要一個(gè)地球年才能蒸發(fā)殆盡；但是質(zhì)量和一顆小行星相當(dāng)?shù)男『诙?，竟?huì)在一秒鐘內(nèi)就蒸發(fā)得干干凈凈！

一個(gè)來自以色列特拉維夫大學(xué)的天文學(xué)家小組發(fā)現(xiàn)，宇宙中最大質(zhì)量黑洞的首次快速成長期出現(xiàn)在宇宙年齡約為12億年時(shí)，而非之前認(rèn)為的20~40億年。天文學(xué)家們估計(jì)宇宙的年齡約為138.2億年。

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2005年3月，美國布朗大學(xué)物理教授‘霍拉蒂·納斯塔西’在地球上制造出了第一個(gè)“人造黑洞“。2009年10月15日，《科學(xué)》雜志宣布，世界上第一個(gè)“可吸收電磁波的微波人造黑洞”在中國東南大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里誕生。不過，這個(gè)小型“黑洞”不僅不會(huì)毀滅世界，還能幫助人們更好地吸收太陽能。

2019年4月10日21時(shí)，人類首張黑洞照片面世，該黑洞位于室女座一個(gè)巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質(zhì)量約為太陽的65億倍。它的核心區(qū)域存在一個(gè)陰影，周圍環(huán)繞一個(gè)新月狀光環(huán)。愛因斯坦廣義相對(duì)論被證明在極端條件下仍然成立。

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2020年10月14日，美國太空網(wǎng)站報(bào)道《望遠(yuǎn)鏡觀察到黑洞通過“意面化”殺死恒星》。其中談到：望遠(yuǎn)鏡捕捉到一顆垂死的恒星在被一個(gè)超級(jí)黑洞撕裂時(shí)發(fā)出的罕見閃光。這一罕見的潮汐撕裂事件是已知距離地球最近的此類事件，相距距離僅為2.15億光年。在潮汐撕裂事件中，恒星會(huì)被“意面化”(變成意大利細(xì)面條狀)。對(duì)這一事件的研究結(jié)果表明了物質(zhì)是如何離開恒星的，并展示了恒星在瀕死時(shí)發(fā)出的閃光。歐洲南方天文臺(tái)官員說，過去很難看到這些事件，因?yàn)楹诙赐淌珊阈菚r(shí)，垂死的恒星中往往會(huì)噴射物質(zhì)，比如塵埃，從而使視野變得模糊。幸運(yùn)的是，本次事件在恒星被撕裂成碎片后不久就進(jìn)入了研究人員的視線。