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黑洞|浙工大教授解读诺贝尔物理学奖：黑洞的面纱有几层？

黑洞|浙工大教授解读诺贝尔物理学奖：黑洞的面纱有几层？
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2020年诺贝尔物理学奖颁给了罗杰·彭罗斯（Roger Penrose） ， 因他发现黑洞形成是广义相对论的一个预言；莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel） ， 安德里亚·格兹（Andrea Ghez） ， 因他们发现银河系中心的超大质量致密天体 。
他们的这些发现被评价为揭示了“宇宙中最黑暗角落的秘密” 。
黑洞|浙工大教授解读诺贝尔物理学奖：黑洞的面纱有几层？
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那么 ， 黑洞到底是什么？这几位科学家的研究于天体物理学而言 ， 有着怎样的意义？
在黑洞中 ， 我们是否可以实现科幻电影中常常涉及的“穿越时空”情节？
未来 ， 在黑洞研究领域 ， 还有哪些“新的冒险”值得我们去探索？带着这些问题 ， 采访人员采访了浙江工业大学理学院理论物理与宇宙学研究所教授朱涛 。
黑洞的是广义相对论所预言的一种致密天体 ， 有着超强引力场 。 它一般是由大质量的恒星塌缩所形成 。 它有一个表面 ， 也就是通常所说的视界面 。 任何物质进入到了这个视界面包括光 ， 都会受到黑洞引力的影响而无法逃脱 。
其实 ， 黑洞理论刚提出来时 ， 包括爱因斯坦本人都并不相信黑洞真的存在 。 毕竟 ， 那时候“黑洞”对于众人而言 ， 只是方程中的一个解 。 而罗杰·彭罗斯使用了巧妙的数学方法 ， 证明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果 。
1965年1月 ， 在爱因斯坦去世十年后 ， 罗杰·彭罗斯证明了黑洞真的可以形成 ， 并对其进行了详细的描述：黑洞的核心是隐藏着一个奇点 ， 在这个奇点中 ， 所有已知的自然法则都不再成立 。 他的这篇开创性的文章至今仍被认为是自爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献 。
“彭罗斯的研究证明了广义相对论中的奇点定理 ， 即恒星在不断塌缩的过程中形成黑洞 ， 其中所有的物质也不断流向奇点 ， 在奇点处物质的密度被认为是无穷大的 。 ”朱涛说 ， 天文观测已证明了黑洞的存在 ， 而彭罗斯的研究则解答了黑洞是如何形成的这一问题 。
此次诺贝尔物理学奖的另两位获奖者根泽尔和格兹 ， 则是利用世界上最大的望远镜 ， 开发出了透过星际气体和尘埃的巨大云层 ， 观察银河系中心的方法 。 他们挑战技术极限 ， 改进新技术以补偿地球大气层造成的干扰 ， 建立独特的仪器 ， 并致力于长期研究 。 他们的开创性工作为我们提供了迄今为止最令人信服的证据 ， 证明银河系中心存在一个超大质量黑洞 。
天文学家将宇宙中的黑洞分为原初黑洞、恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞四类 。 其中 ， 目前观测研究较多的是恒星级黑洞和超大质量黑洞 。
相信很多人会问：既然黑洞“看不见”“摸不着” ， 科学家平时又是如何来描述黑洞这个神秘又特别的天体的呢？“质量、角动量和电荷是描述黑洞的三个量 ， 抓住了黑洞的这‘三根毛’ ， 也就抓住了黑洞的特质 。 ”朱涛说 。
朱涛说 ， 恒星级黑洞的质量大约相当于3到10个太阳的质量 ， 主要通过黑洞吸收物质发射的X射线来发现 。 超大质量黑洞则广泛存在于星系中心 ， 如银河系中心的黑洞大约400万太阳质量 。 去年4月发布的首张黑洞照片中的黑洞 ， 就是位于M87星系中心的超大质量黑洞 ， 质量高达65亿倍太阳质量 。
与黑洞相对的 ， 人们其实在理论上还预言了一种被称之为“白洞”的奇异天体 。
“理论上 ， 黑洞还会通过一座‘桥梁’连接到‘白洞’ ， 而与黑洞不断吸收物质的‘行事作风’全然相反的是 ， ‘白洞’会不断喷发物质 。 但目前‘白洞’尚且存在理论层面 ， 还没有得到相关观测结果证实 。 ”朱涛说 。
无论是科幻电影中常常提及的“时间静止”“穿越时空” ， 还是中国古时神话传说中“天上一日 ， 地上一年”……对于浩渺的宇宙 ， 亦或是无声流淌却又稍纵即逝的时间 ， 古往今来 ， 人们都有着无限的遐想与好奇 。
广义相对论认为 ， 引力场越强 ， 时间就走得越慢 。 因此 ， 凭借着强大的引力场 ， 黑洞是可以让时间静止的 。
【黑洞|浙工大教授解读诺贝尔物理学奖：黑洞的面纱有几层？】“在黑洞附近的人不会感受到时间流动的异样 ， 但在黑洞外的人看来 ， 那里的时间却是静止不动的 。 ”朱涛说 。 由此看来 ， 时间在黑洞面前 ， 要实现“洞中一日 ， 洞外N年”的目标 ， 便并非一句玩笑话了 。
事实上 ， 无论是狭义相对论 ， 还是广义相对论 ， 它们所预言的时间膨胀效应都已经被实验所证实 ， 并得到了实际应用 。 如导航卫星在太空中环绕地球飞行 ， 一方面 ， 它们的速度很快 ， 时间过得比较慢 。
另一方面 ， 它们距离地心更远 ， 受到的地心引力更弱 ， 时间过得更快 。 因此导航卫星上的时间过得比地表上快一些 。 虽然每天只有几十微秒的差距 ， 但累积的定位误差可以达到10公里 。 因此 ， 为了精确定位 ， 导航卫星是需要消除这种时间收缩或膨胀的相对论效应的 。
近年来 ， 黑洞成为天文物理学领域研究的一块热土 。
“黑洞是大质量恒星演化的最终宿命 ， 黑洞研究有助于人类了解天体演化规律；同时 ， 黑洞也是检验广义相对论的一种重要途径 。 ”朱涛说 ， 目前天文学家对广义相对论的验证 ， 主要集中在引力场较弱的太阳系范围内 ， 而对黑洞的深入研究将进一步验证强引力场条件下广义相对论的适用性 ， 以及其与量子引力之间的关系 。 正因如此 ， 于天文学家而言 ， 重重面纱之下的黑洞散发着巨大魅力 。
浩渺宇宙 ， 长河光阴 。 未来 ， 关于黑洞 ， 尚有着太多未知留待探索 。 正如当日颁奖现场物理学委员会负责人所说 ， 今年获奖者的发现是新的冒险的开始 ， 未来 ， 自然将带给我们更多新的惊喜 。
编辑：龚一鸣


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