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科学5分钟读懂2020诺贝尔物理学奖：黑洞和银河系最黑暗的秘密


2020年诺贝尔物理学奖揭晓：一半授予Roger Penrose ， 获奖原因“发现广义相对论预测了黑洞的形成”；另一半授予Reinhard Genzel和Andrea Ghez ， 获奖原因“发现银河系中心的超大致密物体” 。
三位物理学家分享了今年的诺贝尔物理学奖 ， 因为他们发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞 。
科学5分钟读懂2020诺贝尔物理学奖：黑洞和银河系最黑暗的秘密
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黑洞和银河系最黑暗的秘密
三位科学家因为他们对宇宙中最奇特现象之一——黑洞的研究 ， 而共享今年的诺贝尔物理学奖 。 Roger Penrose发明了巧妙的数学方法 ， 来探索爱因斯坦的广义相对论 。 他的研究揭示了广义相对论如何预测了黑洞的形成 。 这些时空和空间的怪物会捕获一切进入其中的东西 。 任何东西 ， 甚至是光 ， 都无法逃离黑洞 。
Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自带领着一群天文学家 ， 从上世纪九十年代初就开始研究银河系的中心区域 。 随着精确度的提高 ， 他们成功绘制了离银河系中心最近的最亮恒星的轨道 。 两组研究人员都发现 ， 有一种看不见但很重的物体 ， 促使这些恒星在周围转圈 。
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这个看不见的物质大约有400万个太阳质量那么重 ， 但体积却和我们的整个太阳系差不多 。 是什么使得银河系中心附近的恒星以如此惊人的速度旋转呢？根据当前的引力理论 ， 可能的解释只有一个：那就是超大质量黑洞 。
超越爱因斯坦的突破
广义相对论之父爱因斯坦本人曾经也不认为黑洞会真的存在 。 但是 ， 在爱因斯坦去世后十年 ， 英国理论学家Roger Penrose证明 ， 黑洞可以形成 ， 并描述了它们的特征 。 黑洞的中心隐藏着一个奇点 ， 所有已知自然法则在这里都不再适用 。
为了证明黑洞的形成是一个稳定的过程 ， Penrose需要扩展用来研究相对论的方法 ， 即使用新的数学概念来解决这一理论的问题 。 Penrose的突破性文章发表于1965年1月 ， 至今仍被认为是自爱因斯坦以来 ， 对广义相对论的最重要贡献 。
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引力牢牢掌控整个宇宙
黑洞大概是广义相对论的最奇怪结果 。 当爱因斯坦在1915年11月提出他的这个理论时 ， 它颠覆了此前所有的时空概念 。 该理论为理解引力提供了全新的基础 。 引力在最大程度上塑造了宇宙 。 自此之后 ， 广义相对论为所有的宇宙研究提供基础 ， 并且在我们最常用的导航工具——GPS中 ， 也有实际应用 。
爱因斯坦的理论描述了引力如何掌控着整个宇宙中的一切 。 引力让我们站在地球上 ， 引力也控制着行星绕太阳运行的轨道以及太阳绕银河系运行的轨道 。 引力也促使恒星从星际云中的诞生 ， 而最终恒星又在引力塌缩下死去 。 大质量物质会弯曲空间并减慢时间；极大质量物质甚至可以切断和包裹空间——形成黑洞 。
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第一个描述黑洞的理论出现于广义相对论发表后的数周 。 尽管该理论的数学方程式极其复杂 ， 但德国天体物理学家Karl Schwarzschild仍为爱因斯坦带来一个解决方案 ， 解释大质量物质如何弯曲时空 。
后来的研究表明 ， 黑洞一旦形成 ， 它会被事件视界包围 ， 该事件视界如同面纱一般围绕黑洞中心的物质运动 。 黑洞永远隐藏在其事件视界之内 。 质量越大 ， 黑洞及其视界就越大 。 对于相当于太阳质量的物质 ， 事件视界的直径大约为三公里；而相当于地球质量的物质 ， 事件视界的直径则只有九毫米 。
超越完美的解


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