超越爱因斯坦的突破|黑洞是广义相对论的必然结果

原标题:黑洞猎手,在璀璨星光中凝视黑暗丨直击诺奖

太长不看版:

爱因斯坦提出广义相对论后,很快就有人提出一个理论解,可以描述黑洞;

这个解过于苛刻,要求完美球形对称,因此很长时间里,黑洞被认为只是理论性猜测,连爱因斯坦都不信它真能形成;

爱因斯坦死后 10 年,罗杰 · 彭罗斯提出俘获面概念,证明不完美的物质坍缩也能形成黑洞,黑洞是广义相对论的必然结果;

莱因哈特 · 根策尔和安德烈娅 · 盖兹花了数十年时间,追踪银河系中心一些明亮恒星的运行轨迹;

他们的实测数据表明,银河系中心潜藏着一个质量巨大的不可见天体,大约相当于太阳 400 万倍的物质,被挤压在一个跟太阳系大小类似的区域之内;

超大质量黑洞,是这个不可见天体目前唯一的解释。

2020 年的诺贝尔物理学奖授予罗杰 · 彭罗斯(Roger Penrose),以及莱茵哈特 · 根策尔(Reinhard Genzel)和安德烈娅 · 盖兹(Andrea Ghez),因为他们的发现推动了人类对宇宙间最奇异的现象——黑洞——认识。罗杰 · 彭罗斯指出了黑洞是广义相对论的必然结果;莱茵哈特 · 根策尔和安德烈娅 · 盖兹发现银河系中心存在支配着恒星轨道的、质量极大的不可见天体。超大质量黑洞是这一天体目前已知的唯一解释。

罗杰 · 彭罗斯发明了极为精巧的数学方法,用于探索爱因斯坦的广义相对论。黑洞仿佛时间和空间中的巨兽,吞噬万物,甚至连光都无法逃脱。彭罗斯通过数学推导指出黑洞的形成是广义相对论的必然结果。

上世纪 90 年代,莱因哈特 · 根策尔和安德烈娅 · 盖兹各自带领一组天文学家研究银河系的中心区域。随着观测的精度不断进步,他们绘制出了银河系中心最亮的一些恒星的轨道。两个研究小组发现,那里存在一个质量极大却不可见的物体,迫使这些恒星围绕着它飞速旋转。这一团质量达到太阳 400 万倍的物质,挤在一个比太阳系还小的空间中。是什么让恒星围绕着银河系的中心以超乎想象的速度旋转?根据目前的引力理论,只有一个可能的候选者——超大质量黑洞

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图丨诺贝尔奖官方网站

超越爱因斯坦的突破

即使是广义相对论之父爱因斯坦,也不相信黑洞真的存在。然而,在爱因斯坦去世 10 年后,英国理论物理学家和数学家罗杰 · 彭罗斯证明,黑洞可以形成,并描述了它们的特性。他指出,在黑洞的中心,存在一个奇点,在那里一切已知的自然定律都会崩溃

为了证明黑洞的形成是一个稳定的过程,彭伦斯需要拓展研究广义相对论的方法,用新的数学概念探索相关的问题。他在 1965 年 1 月发表了突破性的论文。这一成果至今仍被认为是爱因斯坦之后,对广义相对论发展做出的最重要贡献

引力控制着宇宙

黑洞或许是广义相对论最奇怪的结果。爱因斯坦在 1915 年 11 月提出的这一理论,颠覆了以前所有的空间和时间概念。该理论为理解引力提供了一个全新的基础:引力在最大尺度上塑造了宇宙。从那时起,这个理论为所有关于宇宙的研究提供了基础,同时,在我们最常用的导航工具之一 —— GPS 全球定位系统中,它也得到了实际应用。

爱因斯坦的理论描述了宇宙万物如何被引力所控制。万有引力控制着地球上的我们,它也驱使着行星围绕太阳运行,驱使着太阳围绕银河系中心运行。此外,它也导致恒星在星际云中诞生,并最终在引力坍缩中毁灭。引力塑造了空间的形状,同时影响着时间的流逝。较重的质量会使空间弯曲,使时间变慢;而极重的质量甚至可以切断和封装一片空间——从而形成黑洞

我们现在所说的黑洞,在广义相对论发表几周后,就有了第一个理论描述。尽管广义相对论有着极其复杂的数学方程,德国天体物理学家卡尔 · 史瓦西(Karl Schwarzschild)还是求出了议程的一个解,用于描述重质量如何弯曲空间和时间。

后来的研究表明:黑洞一旦形成,将会被一个事件视界所包围,像面纱一样将那些物质包裹在中心。黑洞也将永远隐藏在事件视界之内。事实上,质量越大,黑洞和它的事件视界就越大。举例来说,对于质量相当于太阳的黑洞,事件视界的直径差不多有 3 千米,而对于质量相当于地球的黑洞,其直径只有 9 毫米。

超越完美的解

在文化表达里,” 黑洞 ” 这个概念有许多含义。但对物理学家来说,黑洞是巨型恒星演化的自然终点。20 世纪 30 年代末,著名物理学家罗伯特 · 奥本海默(Robert Oppenheimer)首次计算了一颗大质量恒星的剧烈坍缩——他后来还主持了制造第一颗原子弹的曼哈顿计划。当比太阳重很多倍的巨星耗尽燃料时,它们首先会爆炸成为超新星,然后坍缩成密度极高的残骸,其巨大的引力会将一切东西都吸入其内,连光也逃不脱

早在 18 世纪末,英国哲学家和数学家约翰 · 米歇尔(John Michell)和法国著名科学家皮埃尔 – 西蒙 · 拉普拉斯(Pierre-Simon de Laplace)的著作中,就提到过 ” 暗星 ” 的概念。两人都曾推理过,天体的密度可能大到以至于看不见——即使快如光速也不足以摆脱它们的引力

又过了一个多世纪,爱因斯坦发表了他的广义相对论,该理论中以难以理解著称的方程有一些解,描述的正是这样的暗星。直到 20 世纪 60 年代,这些解一直被认为是纯理论性的猜测,描述了理想状况下完美对称的圆形恒星和同样完美对称的圆形黑洞。但宇宙中没有东西是完美的,坍缩的物质可能凹凸不平,天然带有各种缺陷,而罗杰 · 彭罗斯率先成功地为所有这种不完美的坍缩物质找到了现实的解

类星体之谜

1963 年,随着宇宙中最亮的天体类星体(quasars)的发现,黑洞的存在问题再次浮出水面。在将近 10 年的时间里,天文学家一直困惑于一些来源神秘的电波,比如室女座的 3C273。可见光辐射终于揭示了它的真实位置—— 3C273 距离地球如此之远,以至于它的辐射要花上超过 10 亿年才能来到地球。

假如这个光源距离这么远,它的强度一定相当于几百个星系的光。它被赋予了 “类星体 ” 的名称。天文学家很快就观测到一些类星体,它们的距离是如此遥远,必然在宇宙早期就已经发出了辐射。这些不可思议的辐射从哪里来呢?在类星体有限的体积内,要想获得这么多的能量,只有一个办法——从落入一个巨大黑洞的物质中获得

俘获面解开了谜底

黑洞能否在现实条件下形成,这是一个令罗杰 · 彭罗斯困惑的问题。据他后来回忆,问题的答案出现在 1964 年秋天他与一位同事在伦敦散步时,彼时彭罗斯是伯贝克学院(Birkbeck College)的数学教授。当他们停止交谈穿过一条小街时,一个想法闪现在他的脑海中。当天下午,他回忆起了这个想法。这个被他称之为俘获面(trapped surfaces)的想法,是他不知不觉中一直寻找的关键,是用来描述黑洞所需的重要数学工具。

不管该曲面是向外还是向内弯曲,俘获面都会迫使所有射线都指向一个中心。通过俘获面,彭罗斯能够证明黑洞总是隐藏着一个奇点,一个时间和空间结束的边界。奇点的密度无限大,至今还没有任何理论来解决这个物理学中最奇怪的现象。

在彭罗斯对奇点定理(singularity theorem)的证明过程中,俘获面是一个核心概念。他所引入的拓扑学方法对研究我们弯曲的宇宙非常宝贵。

通向时间尽头的单行道

一旦物质开始坍缩,俘获面形成,就没有什么能阻止坍缩的继续。就像物理学家、诺贝尔奖获得者苏布拉马尼扬 · 钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)曾讲述的他童年时在印度听到的故事一样,没有退路。

这个故事讲的是蜻蜓和它们生活在水下的幼虫。当幼虫准备展开翅膀时,它承诺会告诉它的同类们水面另一边的生活是怎样的。但一旦幼虫穿过水面,成为蜻蜓飞走,就再也回不来了。水中的幼虫永远也听不到另一边的故事。

同样,所有的物质只能从一个方向穿越黑洞的事件视界。然后,时间取代了空间,所有可能的路径都指向内侧,时间的流动带着一切走向奇点处那个不可避免的终点。如果你掉进了超大质量黑洞的事件视界,你不会有任何感觉。而从外面看,没有人可以看到你掉进去,你通往事件视界的旅程会一直继续下去。在物理定律中,窥视黑洞是不可能的;黑洞把自己所有的秘密都隐藏在事件视界之后。

黑洞控制着恒星的运行轨迹

尽管我们看不到黑洞,但通过观察它的巨大引力如何引导周围恒星的运动,还是可以确定它的特性

莱因哈特 · 根策尔和安德烈娅 · 盖兹分别领导着不同的研究小组,探索我们的星系——银河系的中心。银河系的形状像一个直径约 10 万光年的扁平盘子,由气体、尘埃和几千亿颗恒星组成,其中一颗恒星就是我们的太阳。从地球上望去,庞大的星际气体和尘埃云阻挡了来自银河系中心的大部分可见光。而红外线望远镜和射电技术让天文学家的视线第一次穿过银盘,获取了银河系中心的星体影像。

以恒星的运行轨迹为向导,根策尔和盖兹提供了迄今为止最有信服力的证据,证明那里隐藏着一个看不见的超大质量物质。唯一可能的解释就是黑洞

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一个黑洞的形成。点击可看大图丨原图:诺贝尔奖官方网站;翻译:核桃苗

专注于正中心

50 多年来,物理学家一直怀疑银河系中心可能存在一个黑洞。自从 20 世纪 60 年代初发现类星体以来,物理学家就推理出,包括银河系在内的大多数大星系内部,都可能存在着超大质量黑洞。然而,目前没有人能够解释这些星系及它们中心质量相当于几百万到几十亿个太阳的黑洞是怎样形成的。

100 年前,美国天文学家哈洛 · 夏普利(Harlow Shapley)首次找到了银河系的中心:在人马座的方向。通过后续的观测,天文学家在那里发现了一个强大的射电源,并将其命名为人马座 A*(Sagittarius A*)。到了 20 世纪 60 年代末,人们清楚地认识到,人马座 A* 位于银河系的中心,银河系中的所有恒星都围绕着它运行

到了 20 世纪 90 年代,更大的望远镜和更好的设备出现了,这时人们才有了系统观察人马座 A* 的条件。莱因哈特 · 根策尔和安德烈娅 · 盖兹各自启动了一个项目,尝试透过尘埃云观测银河中心。他们与各自的团队一起,升级完善了相关技术,建设了创新的设备,对银心展开了长期的研究

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从上俯瞰银河,我们所在的星系。它看上去像一个 10 万光年宽的大盘子。银河的旋臂由气体、尘埃,以及数不清的恒星组成——其中一颗就是我们的太阳丨原图:诺贝尔奖官方网站;翻译:李小葵

只有世界上最大的望远镜才能让我们成功看到遥远的星星——在天文学领域,望远镜自然是越大越好。德国天文学家莱因哈特 · 根策尔和他的团队最开始使用的是位于智利拉西拉天文台的新技术望远镜(the New Technology Telescope,NTT)。后来,他们将观测基地转移到了欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜(the Very Large Telescope facility, VLT)。甚大望远镜有 4 个巨大的望远镜,每个的直径都超过了 8 米,是新技术望远镜的 2 倍大,这让甚大望远镜成为了世界上最大的单片望远镜。

在世界的另一边,安德烈娅 · 盖兹和她的团队使用的是位于夏威夷山上的凯克天文台。这里的望远镜直径近 10 米,目前还保持着世界纪录。主镜像一个蜂巢,由 36 片六边形镜面组成,每片镜面都可以独立控制,从而更好地聚焦星光。

恒星指路

但是,不论望远镜有多大,我们能看清的细节都是有限的,因为我们生活在一个深达 100 千米的 ” 大气海洋 ” 底部。大气中或冷或热的气团挡在望远镜镜头前,起到了透镜一样的作用,使到达望远镜镜头的光线发生扭曲、弯折。这就是我们看星星总是 ” 一闪一闪亮晶晶 ” 的原因,也是我们拍到的星体总是模糊不清的原因。

自适应光学的出现对改善观测非常重要。它通过在望远镜镜头前加一块镜片,来矫正空气对光线传播的影响。

近 30 年来,莱因哈特 · 根策尔和安德烈娅 · 盖兹一直在我们星系中心的一团乱麻中追踪着他们的恒星。在这期间,他们也在不断改进技术。有了更灵敏的数字感光器和更好的自适应光学设备,他们得到的图像分辨率提高了上千倍。现在,他们能够越来越精确地测定那些恒星的位置,夜复一夜地追踪它们的运行。

研究者追踪了最明亮的 30 颗恒星。在距离银河中心半径 1 光月(也就是光走了 1 个月的距离)以内,这些恒星移动最快,看起来就像一群忙碌的蜜蜂正在跳舞。而在这块区域之外,恒星沿着它们的椭圆形轨道运行,看起来规矩多了

其中一颗恒星,被称为 S2 或 S-O2,花了不到 16 年时间就绕着银河中心转完了一整圈。这个周期短到令人咋舌,也正因为如此,天文学家才能描绘出它的完整轨迹。相比之下,我们的太阳绕着银河系中心走完一圈,要花上 2 亿多年才行。对了,在我们现在这圈刚开始跑的时候,恐龙还在地球上溜达呢。

星体的轨道表明,有一个不可见但质量很大的物体主宰着它们绕银河系中心旋转的轨道

理论与观测随行

两个团队的观测结果相互印证,由此得出结论:我们星系中心的黑洞应该有大约 400 万倍太阳质量,这些质量聚集在相当于我们太阳系大小的区域之内

我们可能很快就能直接观测到人马座 A*。就在一年多以前,事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)成功对一个超大质量黑洞周边最近的环境进行了成像观测。那个黑洞位于遥远的 M87 星系,距我们 5500 万光年,看起来像一只周围围绕着火圈的超黑眼睛。而人马座 A*,就是事件视界望远镜的下一个观测目标

M87 中心的黑洞质量巨大,比人马座 A* 重了超过 1000 倍。导致我们最近探测到引力波的那些并合黑洞,质量则要轻得多。引力波信号在 2015 年的秋天首次被 LIGO 探测器捕获(2017 年获得诺贝尔物理学奖)。而在那之前,引力波只存在于爱因斯坦广义相对论的相关计算当中,就像黑洞一样。

我们所不知道的事情

罗杰 · 彭罗斯证明了黑洞是广义相对论的直接结果,但在奇点无限大的引力之下,广义相对论不再适用。在理论物理学领域,人们正在进行大量工作来创建量子引力的新理论。这一理论必须要统一物理学的两大支柱:相对论与量子力学。在黑洞内部的极端情况下,两者狭路相逢。

与此同时,实验观测也离黑洞更近了。莱因哈特 · 根策尔和安德烈娅 · 盖兹开拓性的工作引领了新一代对广义相对论及其最古怪预言的精确验证。这些测量很有可能也将为新的理论见解提供线索。宇宙仍有很多秘密与惊喜等待人们发现。

编译来源:

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/popular-information/

译者:antares,核桃苗,YeYeYe,江笑川,李小葵

辑:steed

译文版权属于果壳,未经授权不得转载 .

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