黑洞可能是自然界中最神秘的物体。它们以极端的方式扭曲空间和时间,包含一个数学上不可能的东西,一个奇点——一个内部无限热和密度的物体。但如果黑洞真的存在并且真的是黑的,我们又如何能够进行观测呢?

罗伯特·彭罗斯是一位研究黑洞的理论物理学家他的作品不仅影响了我,而且通过他的作品影响了我们这一代人流行丛书里面有他精美的手绘插图,描绘了深刻的物理概念。昨天诺贝尔委员会宣布2020年诺贝尔物理学奖将被授予三名科学家罗杰·彭罗斯爵士Reinhard甘泽尔安德里亚Ghez——他帮助发现了这些深奥问题的答案。安德烈·盖是第四位获得诺贝尔物理学奖的女性。

罗杰·彭罗斯以其详细的插图而闻名。这是他的一幅空宇宙图。罗杰·彭罗斯通过维基媒体,抄送BY-ND

上世纪90年代,我在宾夕法尼亚州立大学读研究生,彭罗斯在宾州州立大学担任访问学者,我有很多机会与他交流。多年来,我一直被这个在我的领域里的巨人所吓倒,只是偷瞄一眼他在他的办公室里工作,在他的黑板上画一些奇怪的科学图画。后来,当我终于鼓起勇气和他说话时,我很快意识到他是周围最平易近人的人之一。

垂死的恒星形成黑洞

罗杰·彭罗斯爵士他因1965年的开创性研究获得了一半的奖,他用一系列数学论证证明了,在非常普遍的条件下,坍缩的物质会引发黑洞的形成。

这一严谨的结果揭示了一种可能性,即恒星耗尽其核燃料时发生的引力坍缩的天体物理过程会导致自然界中黑洞的形成。他还证明了在黑洞的中心一定存在一个物理奇点——一个密度无限的物体,在这里物理定律完全失效。在奇点处,我们对空间、时间和物质的概念分崩离析,而解决这个问题可能是当今理论物理学中最大的开放性问题。

彭罗斯发明了新的数学概念和技术在开发这个证明的时候。彭罗斯在1965年推导出的这些方程一直被物理学家用于研究黑洞。事实上,仅仅几年之后,斯蒂芬·霍金和彭罗斯就用同样的数学工具证明了大爆炸宇宙模型——我们目前关于整个宇宙如何形成的最佳模型——在最初的时刻就有一个奇点。这是著名的彭罗斯-霍金的研究结果奇点定理

数学证明天体物理黑洞可能确实存在于自然界,这一事实正是激发人们使用天文技术寻找它们的动力。事实上,自从20世纪60年代彭罗斯的工作以来,已经确认了许多黑洞。

黑洞和星星玩悠悠球

剩余的一半奖金由天文学家Reinhard Genzel和Andrea Ghez分享,他们各自领导的团队发现了一个超大质量黑洞的存在,这个黑洞的质量比太阳大400万倍我们银河系的中心

根策尔是德国马克斯·普朗克地外物理研究所和加州大学伯克利分校的天体物理学家。盖兹是加州大学洛杉矶分校的天文学家。

黑洞在银河系中的位置相对于我们的太阳系。Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院,CC BY-NC

根泽尔和盖兹使用了世界上最大的望远镜(凯克天文台和甚大望远镜),研究了银河系中心人马座a *区域内恒星的运动。他们各自独立地发现,一个质量极高的星体——比太阳看不见的星体大400万倍——正在吸引着这些恒星,使它们以非常不寻常的方式移动。这被认为是银河系中心存在黑洞的最令人信服的证据。

这2020年的诺贝尔奖,这是紧跟着2017年诺贝尔奖引力波从黑洞的发现,和其他领域最近的惊人发现黑洞视界的2019年形象的视界Telescope-serve作为全人类的伟大的识别和灵感,尤其是对于我们这些追随阿尔伯特·爱因斯坦脚步的相对论和万有引力学界的人。谈话

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图片来源:Gerd奥特曼Pixabay

康纳博士是麻省大学达特茅斯分校物理系教授,科学计算中心联合主任。他致力于理论物理学和计算物理学中各种具有挑战性的问题。主要研究项目是利用微扰理论研究双黑洞系统的合并,并对其性质进行估计。

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