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· 关于数据权利的随想
· 拍卖中的信息和博弈-2020年
· 黑洞的神秘和神奇-2020年物
· 川普走了,常态回来了吗?
· 拜登真能成为“团结美国”的总统
· 2020,美国保守派选民该挺谁?
· 随机对照试验与扶贫:2019年诺贝
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分类目录
【旧贴回顾】
 · 衔接量子与经典物理:2012年物
 · 数字通信介绍(5) 什么是MIMO?
 · “免费”的代价
 · 美国的收入差距:社会流动性(完)
 · 那是谁建的?谈谈大小政府之争
 · 成功者的心态
 · 政经随想(5)资本主义之后是什么
 · 亚洲传统价值在西方:财富还是包袱
【书山有路-心理篇(2)】
 · 自律的本能
 · 诚信的心理学
 · 如何点燃天才的火花?
 · 怎样对待老与死?(下)
 · “双管齐下”的变革秘诀
 · 实现自我,完成中年转变 -- 《中年
 · 成功有秘诀吗?《超人》读后
 · 惊险小说中的上品 -- 《Ambler War
【书山有路-经济篇(2)】
 · 大政府,小政府,聪明政府
 · 回首金融危机的来龙去脉(下)
 · 回首金融危机的来龙去脉 (上)
 · 窥视右派的内心:读《美丽的美国》
 · 中国起飞的发动机 ——民工
 · 介绍Peter Drucker
 · 信息时代的新生态 – What Would G
 · 书评:《讨还资本主义的灵魂》
【书山有路-政治篇(2)】
 · 一个犹太复国主义者的反思
 · 从金融危机看政府的角色(下)
 · 谁是乐善好施之人?
 · 关于普世价值的随想
 · 谈谈美国公知(4/4)
 · 谈谈美国公知(3/4)
 · 谈谈美国公知(2/4)
 · 谈谈美国公知(1/4)
 · 第三只眼看民主与专制
 · 赖斯与她的自传《无上光荣》
【书山有路-传记篇(2)】
 · 格林斯潘《动荡年月:新世界的冒险
【学海无涯-数字通信】
 · 关于数据权利的随想
 · 数字通信介绍(5) 什么是MIMO?
 · 数字通信介绍(4) OFDM为何如此
 · 数字通信介绍(3)信道编码
 · 数字通信介绍(2)香农与信息论
 · 数字通信介绍(1) 调制
【学海无涯-心理学(2)】
 · 心态是衡量快乐的一杆秤
 · 千里送鹅毛的心理学
【学海无涯-诺贝尔物理奖(2)】
 · 黑洞的神秘和神奇-2020年物理
 · 宇宙学中的理论和实验:2019年诺贝
 · 别开生面的2018年诺贝尔物理奖
 · 引力波探测:成就“不可能之任务”
 · 量子漩涡的奥妙-2016年物理诺贝尔
 · 神秘的中微子
 · 换灯泡,得诺奖
 · 半个世纪后的大奖:2013年诺贝
 · 衔接量子与经典物理:2012年物
 · 谈谈2011年物理诺贝尔奖:成功的道
【政治经济-美国政治(2)】
 · 我们的媒体怎么了?《美国大分裂》
 · 剖析美国国债难题:让数字说话
 · 大政府能救美国吗?
【政治经济-美国教育(2)】
 · 美国理科教育(5)教育改革话题
 · 美国理科教育 (4) “不让一个孩
 · 美国理科教育(3)成绩差距
 · 谈谈美国理科教育(2)教育与国力
【政治经济-美国经济】
 · 关于美国经济的对话
 · 奥巴马的赤字
【政治经济-国际政经】
 · 阿富汗天上掉馅饼儿,福兮,祸兮?
 · 中国的优势在哪里?
 · 关于美国核武新政策的随想
 · 伊斯兰与西方文明:冲突还是和解?
【政治经济-随想杂谈】
 · 用事实说话:循证决策
 · 关于维基解密与媒体的随想
 · 谁打败了麦卡锡?
【政治经济-税法福利】
 · 扯扯美国的“税务局丑闻”
 · 关于税法数据的分析 (评《纽约时
 · 税季谈税
 · 社会安全保险及其危机
【政治经济-健保改革(2)】
 · “健保法案”为何“好事多磨”?
 · 美国医疗保险:既太多又太少
 · 健保法案解读(4)健保改革的目标
 · 健保法案解读(3)怎样从Medicare
 · 健保法案解读(2)“公共选项”与
【政治经济-健保改革(1)】
 · 健保改革法案H.R.3962解析(1):
 · 美国医疗服务真是倒数第一吗?
 · 奥巴马能完成医疗改革大业吗?
 · 旧文重贴:美国政治的下一个热点话
【政治经济-金融危机(2)】
 · 关于做空,赌博与趁火打劫的随想
 · 从高盛的“欺骗”与“趁火打劫”谈
【政治经济-金融危机(1)】
 · 冒险的代价:美国“信贷社危机”回
 · 旧贴重放:关于AIG副总裁辞职信的
 · 旧文重发:“奖金门”争论中震耳欲
 · 华尔街的信用危机
【生活百感-心态心情(2)】
 · 人到中年:从耕种到收获的过渡
【生活百感-子女教育(1)】
 · 如何点燃天才的火花?
 · 谈谈美国高中课外活动(下)
 · 谈谈美国高中课外活动(上)
 · 孩子该读文科还是理科?
 · 中小学数学的存废之辩
 · 虎妈猫妈,异途同归?
 · 从“网上直播”引起的自杀谈起
 · 育儿漫谈:“高指标人”和“多情趣
 · 也谈大学教育:作为家长的期望和对
【生活百感-新大陆点滴】
 · 也谈一位“海二代”:国防部CIO高
 · 从“网上直播”引起的自杀谈起
 · 民族主义是非谈
 · 节日食谱:中式烤火鸡
 · 美国进入“节俭时代”
【生活百感-人际社会】
 · 谈谈《蜗居》中的三个男人
 · 关于人际交流的模式: 何时需要较真
 · 参与公益,从娃娃抓起
 · 科学与宗教之我见
【学海无涯-全球变暖(2)】
 · 全球变暖的科学根据之检讨(7)其他
 · 全球变暖的科学根据之检讨(6)关于
 · 全球变暖的科学根据之检讨(5)全球
【学海无涯-全球变暖(1)】
 · 全球变暖的科学根据之检讨 (4)
 · 全球变暖的科学根据之检讨 (3) 人
 · 全球变暖的科学根据之检讨(2) 全
 · 全球变暖的科学根据之检讨(1) 目
【学海无涯-博弈论】
 · 也谈博弈
【学海无涯-科学方法】
【学海无涯-科普读物】
 · 无所不在的“网络”
 · 科学的未知与伪科学 -- 《科学的十
【书山有路-科普篇(2)】
 · 也论科普的风格 – 三本科普书的读
 · 人脑比电脑到底强在哪里?
 · 无所不在的“网络”
 · 科学的未知与伪科学 -- 《科学的十
【历史纵横】
 · 美国南北战争:到底是为了统一还是
 · 真相,正义与和解:“肯特屠杀”以
 · 谁打败了麦卡锡?
 · 西雅图的“地下城”
【政治经济-美国贫困】
 · 美国的救济陷阱
 · 社会阶层分析的标尺:收入还是消费
 · 美国穷人:另外的百分之十五(下)
 · 美国穷人:另外的百分之十五(中)
 · 美国穷人:另外的百分之十五(上)
【法律观察】
 · 邦联旗与言论自由
 · 美国最高法院关于GPS跟踪的判决
 · 案例分析:“米兰达警告”与“毒树
【好文欣赏】
 · 好文欣赏:《糖水》
 · 转载mendel文:《从“胎教”开始》
 · 甘阳:自由主义:贵族的还是平民的
 · 【转贴】朱学勤:金重远 复旦首席
 · 好文推荐:村外
 · 酒到陈时味方醇
 · 转贴:“專訪袁偉時:不恪守法治觀
 · ZT: 铁腕戴上丝绒手套
 · 血缘(转帖)
 · 秦晖: 全球化的第三种可能
【政治经济-美国教育(1)】
 · 美国理科教育(2)教育与国力(上
 · 谈谈美国中小学理科教育(1)关于
 · 谈谈美国中小学理科教育(1)关于
 · 从华府公立学校总监Michelle Rhee
【政治经济-美国政治(1)】
 · 奥巴马2.0?
 · 从华府公立学校总监Michelle Rhee
 · 也谈工会
 · 谈谈美国的民主制度:“一票定乾坤
【生活百感-心态心情(1)】
 · 放暑假乐!休博到九月。
 · 初秋随想
 · 人生如流水,只有变化是永恒
 · 人性与理性:你是“99一族”吗?
 · 随感:后院的野猫
【生活百感-愚人节笑话】
 · 祸中祸:日本核电站释放超级细菌
【学海无涯-心理学(1)】
 · 诡异的数字暗示:参照效应
 · “诱饵效应”和“心理相对论”
 · 从“破釜沉舟”谈起
 · 千里送鹅毛的心理学
【学海无涯-诺贝尔物理奖(1)】
 · 诺贝尔物理奖介绍2007:巨磁阻和自
 · 闲谈CCD
 · 闲谈光纤
【学海无涯-科技译文(2)】
 · 引力究竟是什么?
【学海无涯-科技译文(1)】
 · 大脑是怎样工作的?
 · 人类终将访问火星吗?
 · 战争是我们生物本性的归宿吗?
 · 科学重要吗?
【书山有路-政治篇(1)】
 · 自我推销的范文- 读奥巴马的《大胆
 · 信仰与政治
 · 伊斯兰与西方文明:冲突还是和解?
 · 《世界是平坦的》书评
【书山有路-心理篇(1)】
 · 面对灾难,你准备好了吗?
 · 完整大脑与后信息时代 《A Whole N
【书山有路-科普篇(1)】
【书山有路-经济篇(1)】
 · 古狗随想录(下):一统天下,“不
 · 古狗随想录 (上):“掌控中的混
 · 关于做空,赌博与趁火打劫的随想
 · 信息时代的新生态 – What Would G
【书山有路-文学篇(1)】
 · 一扇管窥当代大学生心灵的窗户——
 · 道可道,非常道 – 读《遥远的救世
【书山有路-传记篇(1)】
 · 华盛顿政治的一扇窗口:Tenet自传
 · 《食祷爱》:心灵疗伤的良方
 · 股神巴菲特的人生 ——《滚雪球》
 · 洋“愚公”的故事 – 《Three Cups
【学海无涯】
 · 关于数据权利的随想
 · 随机对照试验与扶贫:2019年诺贝尔
 · 宇宙学中的理论和实验:2019年诺贝
 · 充满“科学元素”的2018年诺贝尔经
 · 别开生面的2018年诺贝尔物理奖
 · 行为经济学和2017年诺贝尔经济学奖
 · 引力波探测:成就“不可能之任务”
 · 关于认识论:涌现和贝叶斯法则
 · 神秘的中微子
 · 大数据经济学 (2015年诺贝尔经济学
【政治经济】
 · 川普走了,常态回来了吗?
 · 拜登真能成为“团结美国”的总统吗
 · 拜登:生逢其时的平庸候选人
 · 我们的媒体怎么了?《美国大分裂》
 · 对“全民基本收入”的数学分析
 · 杨安泽(Andrew Yang)和《对普通
 · 论保守派该投票克林顿
 · LGBT与“宗教自由案”
 · 华人和黑人:盟友还是对手?
 · 奥巴马健保的新考验
【生活百感】
 · 如何点燃天才的火花?
 · 谈谈美国高中课外活动(下)
 · 谈谈美国高中课外活动(上)
 · 放暑假啦!休博到秋天
 · 孩子该读文科还是理科?
 · 休博到明年一月
 · 停博一阵
 · 也谈一位“海二代”:国防部CIO高
 · 纪念汶川地震五周年
 · 中小学数学的存废之辩
【朝华午拾】
 · 为什么调制解调器会有不同速度?
 · 什么是网路电话?
 · 旧文重贴:谈谈学习中的思考
 · 菜鸟上路——我的第一份工
 · 怀念敬爱的黄老师
 · 感恩节前话感恩
 · 数学竞赛与我
 · 哲人讲座
【书山有路】
 · 北欧模式与《北欧理论》
 · 自律的本能
 · 关于认识论:涌现和贝叶斯法则
 · 性别差异与神经心理学
 · 保守主义该怎样帮助穷人?
 · 诚信的心理学
 · 如何点燃天才的火花?
 · 怎样对待老与死?(下)
 · 怎样对待老与死?(上)
 · 一个犹太复国主义者的反思
【政治经济:政经随感(1)】
 · 简讯:美国竞选经费比往年减少
 · 再谈科学的威力与局限
 · 读奥巴马“国情咨文”有感
 · 政经随想(5)资本主义之后是什么
 · 政经随想(4):民主与市场经济
 · 政经随想(3)美国的末日到了吗?
 · 政经随想(2) 美国经济困境与全球
 · 政经随想(1)关于美国国债的几点
【政治经济:亚裔爬藤(1)】
 · 亚裔学子的大学门槛:几本有关书籍
 · 虎妈猫妈,异途同归?
 · 亚裔学子的大学门槛:统计证据一例
 · 亚裔学子:大学门槛格外高
【政治经济:亚裔爬藤(2)】
 · 高院判决,平权与亚裔入学
 · 控告哈佛歧视案讨论小结(转)
 · 反抗种族歧视,何不从帮助亚裔子弟
 · 亚洲传统价值在西方:财富还是包袱
【书山有路-心理篇(3)】
 · 性别差异与神经心理学
 · 怎样对待老与死?(上)
 · 思维快慢道(下)
 · 思维快慢道(中)
 · 思维快慢道(上)
 · 如何避免决策误区(下)
 · 如何避免决策误区(上)
 · 沟通技巧:“粘性学”(下)
 · 沟通技巧:“粘性学”(上)
 · 习惯的力量
【政治经济-12大选】
 · 论保守派该投票克林顿
 · 美国大选投票:除了“罗马”别无选
 · 谁动了Medicare的奶酪?(下)
 · 谁动了Medicare的奶酪?(上)
 · 那是谁建的?谈谈大小政府之争
 · 正戏开场——简评美国两党全国大会
【书山有路-宗教篇】
 · 关于道德与宗教问题与网友的讨论
 · 进化论是上帝的克星吗?(下)
 · 进化论是上帝的克星吗?(上)
【政治经济-收入差距】
 · 收入差别,市场经济与左右之争
 · 保守主义该怎样帮助穷人?
 · 美国的收入差距:社会流动性(完)
 · 美国的收入差距:政府能做什么?
 · 美国收入差距的原因
 · 美国的收入差距:谁是最富和最穷的
 · 美国的收入差距:中产阶级与贫穷劳
 · 美国的收入不平等:非主流意见
 · 美国收入不平等:引言与现状
【政治经济-美国华人】
 · 华人和黑人:盟友还是对手?
 · 亚裔传统月:关于美国亚裔的几个统
【政治经济:政经随感(2)】
 · LGBT与“宗教自由案”
 · 奥巴马健保的新考验
 ·  美国的言论自由与政治正确
 · 美国铁路面面观
 · 提高执政效率:自适应(下)
 · 提高执政效率:自适应(上)
 · 谁是乐善好施之人?
 · 美国中期选举:谁是赢家?
 · 围观美国打老虎
 · 美国教育体系中的“扶贫”措施
【书山有路-经济篇(3)】
 · 《国家为何失败》读后
 · 北欧模式与《北欧理论》
 · 关于认识论:涌现和贝叶斯法则
 · 从《大空头》看颠覆性创新
 · 收入差别,市场经济与左右之争
 · 保守主义该怎样帮助穷人?
 · 从金融危机看政府的角色(上)
 · 资本:贫富差距之源?(下)
 · 资本:贫富差距之源?(中)
 · 资本:贫富差距之源?(上)
【学海无涯-诺贝尔经济奖】
 · 拍卖中的信息和博弈-2020年诺
 · 随机对照试验与扶贫:2019年诺贝尔
 · 充满“科学元素”的2018年诺贝尔经
 · 行为经济学和2017年诺贝尔经济学奖
 · 怎样制定好的合同?2016年诺贝尔经
 · 大数据经济学 (2015年诺贝尔经济学
【政治经济-2020大选】
 · 川普走了,常态回来了吗?
 · 拜登真能成为“团结美国”的总统吗
 · 2020,美国保守派选民该挺谁?
 · 拜登:生逢其时的平庸候选人
 · 对“全民基本收入”的数学分析
存档目录
02/01/2021 - 02/28/2021
01/01/2021 - 01/31/2021
10/01/2020 - 10/31/2020
09/01/2020 - 09/30/2020
08/01/2020 - 08/31/2020
07/01/2020 - 07/31/2020
01/01/2020 - 01/31/2020
11/01/2019 - 11/30/2019
10/01/2019 - 10/31/2019
08/01/2019 - 08/31/2019
07/01/2019 - 07/31/2019
05/01/2017 - 05/31/2017
04/01/2017 - 04/30/2017
03/01/2017 - 03/31/2017
02/01/2017 - 02/28/2017
11/01/2016 - 11/30/2016
10/01/2016 - 10/31/2016
07/01/2016 - 07/31/2016
06/01/2016 - 06/30/2016
04/01/2016 - 04/30/2016
02/01/2016 - 02/29/2016
01/01/2016 - 01/31/2016
12/01/2015 - 12/31/2015
11/01/2015 - 11/30/2015
10/01/2015 - 10/31/2015
09/01/2015 - 09/30/2015
06/01/2015 - 06/30/2015
05/01/2015 - 05/31/2015
04/01/2015 - 04/30/2015
03/01/2015 - 03/31/2015
02/01/2015 - 02/28/2015
01/01/2015 - 01/31/2015
11/01/2014 - 11/30/2014
10/01/2014 - 10/31/2014
09/01/2014 - 09/30/2014
12/01/2013 - 12/31/2013
11/01/2013 - 11/30/2013
10/01/2013 - 10/31/2013
09/01/2013 - 09/30/2013
06/01/2013 - 06/30/2013
05/01/2013 - 05/31/2013
04/01/2013 - 04/30/2013
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01/01/2013 - 01/31/2013
11/01/2012 - 11/30/2012
10/01/2012 - 10/31/2012
09/01/2012 - 09/30/2012
08/01/2012 - 08/31/2012
05/01/2012 - 05/31/2012
04/01/2012 - 04/30/2012
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02/01/2012 - 02/29/2012
01/01/2012 - 01/31/2012
12/01/2011 - 12/31/2011
11/01/2011 - 11/30/2011
10/01/2011 - 10/31/2011
09/01/2011 - 09/30/2011
08/01/2011 - 08/31/2011
07/01/2011 - 07/31/2011
06/01/2011 - 06/30/2011
04/01/2011 - 04/30/2011
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12/01/2010 - 12/31/2010
11/01/2010 - 11/30/2010
10/01/2010 - 10/31/2010
09/01/2010 - 09/30/2010
07/01/2010 - 07/31/2010
06/01/2010 - 06/30/2010
05/01/2010 - 05/31/2010
04/01/2010 - 04/30/2010
03/01/2010 - 03/31/2010
02/01/2010 - 02/28/2010
01/01/2010 - 01/31/2010
12/01/2009 - 12/31/2009
11/01/2009 - 11/30/2009
10/01/2009 - 10/31/2009
09/01/2009 - 09/30/2009
08/01/2009 - 08/31/2009
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黑洞的神秘和神奇-2020年物理诺贝尔奖介绍
   

黑洞这个概念,对大众都不陌生了。它是一个超高引力场的存在。黑洞周围的引力场如此强大,任何物质包括光都会被捕获而有去无回。而在广义相对论理论里,黑洞是一个带有发散点的特殊解,标志着时空结构的高度扭曲。黑洞的存在很容易想象,但性质却很深奥。所以它成为很多科幻小说里的神器。

但是在物理上提出一个新形态,却要面对两个问题。一个是它在理论上是否可能?第二个是它在现实世界中是否真的存在?2020年物理诺贝尔奖,就是发给了回答这两个问题的科学家。

在理论上,黑洞是比较容易理解的。即使在牛顿物理中,也很容易想象一个超重的星体,周围物体即使以光速运动也逃不出它的引力。(当然在经典物理中允许超光速运动的物体,它们还是能逃逸这样的引力场的)。广义相对论提出不久,德国物理学家施瓦西(Schwarzschild)就发现了它的一个独特的解,在中心和某个半径的地方会发散。三十年代,美国物理学家欧本海默(Oppenheimer,后来主持了发展原子弹的曼哈顿计划)和学生指出,在那个有发散的半径内,任何信息(除了引力)都不能逃逸出去。这就是黑洞的概念了。那个半径也被称为视界(event horizon)或施瓦西半径。所以要形成黑洞,就需要它的质量分布在施瓦西半径以内,也就是要有足够高的密度。而施瓦西半径是与质量成正比的。所以任何质量都能形成黑洞,但质量越大的黑洞要求的密度越低,可能越接近现实。一个质量10倍于太阳的黑洞,其施瓦西半径为30公里。所以它的密度比太阳高14个数量级。这样的黑洞已经被观测到,可能是老旧恒星燃料耗尽后塌缩的产物。而一个质量与月球相同的黑洞,施瓦西半径只有0.1毫米。它的密度要更高16个数量级,没有目前已知的物理过程能达到。

欧本海默虽然解释了黑洞,但并没有证明有了足够密度后黑洞一定会出现。这是因为他的理论假定了物质分布是球对称的。打个超简单的比方:如果物质分布是球对称的,那所有物质都被引力拉向中心而崩塌到一个点。但如果不是球对称,则各部分的物质会有不同的塌缩路线,形成一个像太阳系那样相互绕转的结构而非一个点。然而自然界里没有严格球对称的物质分布。所以黑洞虽然在理论上说得通,但在现实中是否存在还是个问题。

这时候我们的第一位主角,2020年诺贝尔物理奖得主彭罗斯(Roger Penrose)闪亮登场了。1965年,拿到数学博士不到十年的彭罗斯发表了他的黑洞理论,证明黑洞的形成不需要球对称性。到了1970年,彭罗斯和霍金(Stephen Hawking)进一步去掉了理论中的一个假定,从而令人信服地证明:只要物质的质量和密度满足一定关系,就一定会崩塌成黑洞。在这个过程中,彭罗斯不但推广了前人的结论,而且独辟蹊径,用拓扑学的处理方法摆脱了对物质分布细节的依赖。这个视角把对于黑洞的理解推进了一步。随后,彭罗斯和霍金还建立了黑洞与宇宙起源的联系。

其实除了广义相对论领域外,彭罗斯还有一项重大的物理贡献,就是彭罗斯镶嵌。我们在中学里都学过,只有三角形,四边形和六边形的“瓷砖”可以无缝隙地镶嵌整个平面,形成三度,四度和六度旋转对称。而彭罗斯在数学上提出一种五度对称的镶嵌,是用两种不同的“瓷砖”实现的。后来人们真的发现了这种五度对称的 “准晶体”(quasicrystal)。这是一种有旋转对称但没有平移对称(所以不是晶体)的新型材料结构。这个工作得了2011年诺贝尔化学奖。

让我们回到黑洞问题。基于广义相对论,彭罗斯在数学上证明了高密度质量分布一定导致黑洞。这样“黑洞在现实中存在”就依赖于两个条件。一个是广义相对论的正确性(特别是在黑洞附近超强引力的情况下),另一个是高密度物质分布的存在。这里所谓的“高密度”,就是指物质集中在施瓦西半径之内。其具体密度“门槛”与总质量有关。

至今的天文观测已经发现了很多黑洞的踪迹。有些黑洞的质量不是很大。如2016年首次探测到的引力波(2017年诺贝尔物理奖),其波源就是两个质量为太阳三十倍的黑洞相互绕行而最终合并。而我们下面要关注的是另一类超大型黑洞(supermassive black hole),其质量是太阳的上亿倍甚至几十亿倍。

有些超大型黑洞其实是发光的,被称为“类星体”(quasar)。类星体是太空中一种独特的辐射源。它的尺度比太阳系更小些,但却有星系级的辐射功率。所以它的质量必须超大,这样引力才能抵消辐射压而不让物质飞散开去。这就意味着它的密度远远超出任何已知的星际物质形态。所以从一开始,人们就怀疑类星体与黑洞有关,从而对寻找黑洞产生了信心。彭罗斯当年就是被类星体的发现吸引到黑洞研究中去的。后来,彭罗斯和霍金发展了解释类星体辐射的理论。他们指出类星体的光源是围绕在黑洞周围的星体云。在一些物质“掉进”黑洞的同时,另外大约40%的物质会转变成能量辐射出来。后来对类星体的精细观测证实了彭罗斯和霍金对其辐射性质的预测,从而坐实了它背后的黑洞存在。这也是对广义相对论的一个成功验证。

人们进一步发现,很多星系的中心都有类星体作为核心。其中的超大型黑洞在星系的起源和维系中都起着重要作用。但是超大型黑洞不一定是类星体。如果周围没有大量可供捕获的星体云,那个黑洞就不会有强烈辐射。但是如果没有辐射,遥远的黑洞就很难被探测到。于是人们把目光收回到我们自己的银河系。银河系中心没有类星体,但有超大型黑洞吗?这就是我们的另外两位主角的出场时刻了。

2020年诺贝尔奖的另一半颁给根策尔(Reinhard Genzel)和盖兹(Andrea Ghez),表彰他们发现银河系中心的“超大型致密天体”。

在银河系中心,确实有不少星星绕着一个看不见的引力中心运转。如果我们跟踪那些轨道,就能算出引力中心的质量。但它是不是黑洞呢?回答这个问题的关键,在于它的密度。也就是说,它的物质分布范围是不是在施瓦西半径以内。而这个分布范围的上限,就是星体绕行轨道中的最小半径。所以归根结底,我们要观察银河系中心深处的星体运动。要在那个群星密集的区域跟踪个别星体的运动,需要非常高质量的天文成像技术。

很多遥远天体的观察(包括类星体的观察)是由哈勃望远镜完成的。哈勃望远镜其实是一颗卫星,在绕地轨道上工作。因为没有“尘世间”的种种干扰,它能得到稳定清晰的图像。但在观察银河系中心时,我们必须采用红外波段来避免星际尘粒对可见光的吸收。因为波长增加了,望远镜的口径也要增加,所以无法放在卫星上,只能从地面“仰望星空”。于是我们就必须面对大气干扰的挑战了。

我们在河边看水底卵石时,会觉得它们不停地在漂移变形。这是因为水流的表面和密度在变化,使得光线传播的方向不稳定。在地面观察星星时,大气的扰动也会造成同样效果。我们通常看到夜空的星星会“眨眼”,就是这个道理。在我们观察遥远星体时需要加长曝光时间来收集微弱的星光。如果目标在漂移,照片就模糊了。

幸运的是,当根策尔和盖兹的团队观察银河系中心时,电子成像技术已经比较发达了。他们先是采取了“散斑成像”(speckle imaging)技术。这个方法先抓取很多短曝光时间的影像(在短时间里大气近似稳定)。然后通过影像处理技术来修正不同影像之间的位移(由大气扰动造成),再把影像加起来得到长曝光效果。这种办法因为种种限制,得到的改进还是有限的。后来人们开发了更优越的“自适应光学”技术:在望远镜的反射面上装上驱动器,使得反射面可以随时变形,抵消大气扰动造成的光路变化。这样就可以直接进行长曝光而得到清晰的影像了。(自适应光学源自天文研究,现在不少其他工程领域也有应用。)

采用这些技术后,根策尔和盖兹花了十几年追踪银河系中心轨道最小的那些星体,测算那个隐形引力中心的大小和质量。他们的最新结果是:星体轨道半径的最小值大约是施瓦西半径的四倍。虽然这还不是黑洞的“铁证”(因为可能的物质分布范围还是比施瓦西半径大),但这个物质密度已经远远大于任何其它已知的星体结构。所以现在大家都相信,我们的银河系中心有一个超大型黑洞。

不仅如此,这两个团队还进行了银河系中心多个星体辐射和轨道的详细测量,观察到引力红移,轨道进动等广义相对论效应,从而证明广义相对论在黑洞附近的超强引力场条件下仍然是正确的。他们目前还在继续提升观测能力,希望以那些星体为“探针”,发现更多的黑洞性质。

过去半个多世纪来,黑洞已从一个玄妙的理论概念变成了可观测可预言的现实研究对象。在这个旅程中,2020年诺贝尔物理奖得主们作出了重大贡献。他们从理论上和观测上证实了黑洞的存在并开拓了进一步研究的疆界。今天的宇宙学和天文学研究已经离不开黑洞的概念了。在广义相对论中,黑洞是一个发散的数学解。而在现实中,发散是不可能的。也就是说,在发散的地方(奇点),广义相对论是不能描述现实的,我们需要更精确的理论,很可能是量子化的引力论。如果黑洞研究催生了新的引力理论,那就对整个物理理论体系都有重大影响,说不定还能带来“大统一”的圣杯。而黑洞内部的情形又无法直接观测,所以发展了新理论还需要其它实验观测手段配合验证。黑洞和其它物理领域的联系会越来越紧密。彭罗斯,根策尔,盖兹等人工作的意义,也会在未来进一步显示出来。


 
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