2020諾貝爾物理學獎》揭開黑洞的宇宙奧秘!英、德、美3位天文學家共同摘下桂冠

2020-10-06 18:09

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2020諾貝爾物理學獎得主,左起:根策爾(Reinhard Genzel)、吉茲(Andrea Ghez)、潘洛斯(Roger Penrose)(AP)

2020諾貝爾物理學獎得主,左起:根策爾(Reinhard Genzel)、吉茲(Andrea Ghez)、潘洛斯(Roger Penrose)(AP)

今年諾貝爾獎物理學獎得主在台灣時間6日下午6時揭曉,由英國數學物理學家潘洛斯、德國天文學家根策爾及美國女性天文學家吉茲摘下桂冠,3人因發現「宇宙最奇特的現象之一:黑洞」而獲殊榮,共同奪得1千萬瑞典克朗(新台幣3370萬元)獎金,其中吉茲是史上第四位獲得諾貝爾物理學獎的女性。

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1千萬瑞典克朗的一半將給予潘洛斯(Roger Penrose),其獲獎原因為「發現黑洞的形成是對廣義相對論的有力預測」,根策爾(Reinhard Genzel)與吉茲(Andrea Ghez)將共享另一半獎金,他們獲獎的原因是「發現銀河系中心的超大質量緻密天體」,而目前關於該緻密天體的唯一解釋即為「超大質量黑洞」。

他們的傑出研究成果為世人於2019年見到「史上第一張黑洞照片」奠定基礎。諾貝爾物理學委員會主席哈維蘭德(David Haviland)表示:「今年得獎者的發現,在超大緻密天體的研究領域上開創新的局面,但是這些奇異的天體仍留有許多問題,包含它們的內部結構為何,還有如何在緊鄰黑洞的極端條件下檢驗我們的引力理論等等,都留待未來研究的解答。」

2020年諾貝爾物理學獎得主公布,英、德、美3位天文學家共同摘下桂冠。(美聯社)
2020年諾貝爾物理學獎得主公布,英、德、美3位天文學家共同摘下桂冠。(美聯社)

廣義相對論證明黑洞的存在

潘洛斯1931年生於英國科爾切斯特(Colchester),1957年以論文《代數幾何學中的張量方法》(Tensor methods in algebraic geometry)獲得劍橋大學(University of Cambridge)博士學位,目前是牛津大學教授。現年89歲的他在廣義相對論與天文學領域的貢獻甚多,他所發明的數學公式與理論,拓展了愛因斯坦(Albert Einstein)「廣義相對論」(general theory of relativity)所推導的結論,證明「廣義相對論」可以推測出黑洞的存在。

愛因斯坦本人並不認為黑洞確實存在。1965年1月,潘洛斯在愛因斯坦去世10年後,證明黑洞確實可以從巨大星體死去時發生的重力塌縮現象中形成,他還詳細描述了所謂「黑洞」的性質,認為在黑洞的核心之處藏有「奇點」(singularity),在那裡,所有已知的自然規律都停止。他的開創性理論是自愛因斯坦以來,對廣義相對論最重要的貢獻。

在1965至1970年期間,潘洛斯更與量子力學大師霍金(Stephen Hawking)合作開發關於黑洞的存在和性質的理論。霍金於2018年去世,他一生從未因對於廣義相對論的貢獻而獲得諾貝爾獎,《華盛頓郵報》(Washington Post)推測,若他還活著,很有可能會與潘洛斯共享本屆諾貝爾物理學獎,令人遺憾的是,諾貝爾學院從不追授獎項。

2020年諾貝爾物理學獎得主根策爾(Reinhard Genzel)(The Nobel Prize@Twitter)
2020年諾貝爾物理學獎得主根策爾(Reinhard Genzel)(Nobel.org@Twitter)

發現超大質量黑洞

根策爾1952年出生於德國巴特洪堡(Bad Homburg),1978年獲波恩大學 (University of Bonn),現為德國馬克斯普朗克地外物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)所長。美國天文學家吉茲1965年生於紐約市,1992年獲加州理工學院(California Institute of Technology)博士學位,現為加州大學洛杉磯分校(UCLA)天文物理學教授。

2人自1990年代起各自帶領團隊,研究銀河系中心區域「人馬座A*」(Sagittarius A*),結果都發現有一個「超大緻密天體」正在拉扯星體,促使它們改變軌道並快速移動。

根策爾和吉茲兩組團隊使用當時世界上最大的電波望遠鏡,開發出觀測黑洞的方法,可以穿越巨大的星際氣體和塵埃雲清晰看見銀河系的中心,諾貝爾物理學委員會讚譽他們擴展了研究技術的極限,開發完善的新技術,製造出獨特的儀器,並致力於有關黑洞的長期研究。他們的開創性研究成果是迄今為止最令人信服的證據,表明銀河系中心的「人馬座A*」事實上是一個超大質量黑洞。

美國天文學家吉茲(Andrea Ghez,右),是諾貝爾物理學獎一百多年來第四位女性得主。(AP)
美國天文學家吉茲(Andrea Ghez,右),是諾貝爾物理學獎一百多年來第四位女性得主。(AP)

諾貝爾物理學獎知多少

自1901至2020年,諾貝爾物理學獎已頒發115次,獎項得主人數共215人。歷屆得主中,最年輕得主是1915年獲獎的布拉格(Lawrence Bragg),當時他才25歲,與父親一起獲獎;最年長得主則是2018年獲獎的艾許金,以96歲高齡摘下桂冠。另外,美國物理學家巴丁(John Bardeen)是唯一獲得諾貝爾物理獎2次的得主。

攤開歷年諾貝爾物理學獎得獎名單,所有得主中,僅有4位女性列名其中,分別是1903年獲獎的瑪麗亞.斯克沃多夫斯卡—居禮(Marie Skłodowska-Curie,通常稱為瑪麗‧居禮或居禮夫人),以及相隔50年、於1963年得獎的德裔美籍物理學家格佩特—梅耶(Maria Goeppert-Mayer)。

自此之後超過半世紀的時間,再沒有任何女性能獲得諾貝爾物理學獎的殊榮,直到2018年才由史崔克蘭(Donna Strickland)終結孤懸50年的紀錄,2年後美國女性天文學家吉茲成為第4位摘下物理桂冠的女性。

2020諾貝爾獎得主公布時程(台灣時間)

生理學或醫學獎──亞爾特(Harvey J. Alter)、萊斯(Charles M. Rice)、霍頓(Michael Houghton)

物理學獎──潘洛斯(Roger Penrose)、根策爾(Reinhard Genzel)、吉茲(Andrea Ghez)

化學獎──10月7日下午5時45分

文學獎──10月8日下午7時

和平獎──10月9日下午5時

經濟學獎──10月12日下午5時45分

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