2020年諾貝爾物理學獎中的女性之光

李忠東

黑洞研究首次得到諾獎肯定

英國科學家羅杰·彭羅斯（1931— ）、德國科學家賴因哈德·根策爾（1952— ）和美國科學家安德烈婭·蓋茲 （1965— ）因為發現了宇宙中最奇異的現象之一——黑洞，共同分享了2020年諾貝爾物理學獎。特別之年，物理學用科學照亮“黑暗”。為了向這三位獲獎者致敬，斯德哥爾摩把外太空的影像投射到瑞典首都斯德哥爾摩市政廳的外墻上。2020年12月5日—13日舉辦的這場光影秀將藝術與科技有機融合，以一種全新的方式慶祝諾貝爾獎。

三位科學家的研究成果提供了迄今為止最令人信服的證據，即銀河系中央有一個超大質量的黑洞，為研究超大質量致密天體開辟了新天地，并將激發未來的科學研究。諾貝爾物理學獎評委會主席戴維·哈維蘭德表示，我們亟需解答的不僅有關于這些奇異天體內部結構的問題，還有關于如何在黑洞周邊的極端條件下測試我們的引力理論的問題。

諾貝爾物理學獎見證了人類百年的探索領域，從腳下的這顆星球，擴展到頭頂的星空。過去5年中，天體物理學的研究成果已經3次摘取諾貝爾物理學獎的桂冠。

不過，自1901年首次頒獎至今，在獲得物理學獎的215名科學家中僅有4位女性獲獎者：1903年和1911年，居里夫人因對放射性理論的研究以及發現新元素釙、鐳而獲獎；1963年，美國物理學家瑪麗亞·格佩特—梅耶因原子核研究獲獎；2018年，加拿大物理學家唐娜·斯特里克蘭因在激光物理學領域作出突破性貢獻而獲獎；2020年，美國加州大學洛杉磯分校的蓋茲成為第4位女性諾貝爾物理學獎得主。蓋茲在接受現場電話連線采訪中說：“科學對人類至關重要，我非常關注和重視年輕一代提問和思考的能力。……促使我進入該研究領域的首先是懷疑與著迷，我們不知道黑洞中有什么。這將有助于推動我們去了解新世界。”

蓋茲2004年當選為美國國家科學院院士，2019年當選為美國物理學會院士，她還被“我的英雄計劃”確定為科學英雄，其形象多次出現在英國廣播公司、探索頻道和歷史頻道等組織制作的紀錄片中。

黑洞引力把恒星拉成“面條”

德國哲學家康德說過，世界上唯有兩樣東西能讓我們的內心受到深深的震撼，一是我們頭頂浩瀚燦爛的星空，一是我們心中崇高的道德法則。人類從何處來，現在身在何處，未來去往哪里？對宇宙的探究，讓一代又一代的科學家為之癡迷。愛因斯坦提出的廣義相對論顛覆了傳統的空間和時間概念，他的方程式預言了黑洞的存在：大質量的天體會使空間彎曲、時間減慢，一個超大質量的天體甚至能吞噬光線，從而形成一片“絕對黑暗”的空間，這就是黑洞。黑洞引力非常強大，甚至連光線也無法逃逸，沒有光線射出的邊界稱為“事件視界”。據美國有線電視新聞網2020年10月12日的消息，天文學家通過位于智利的歐洲南方天文臺望遠鏡觀測到，在2.15億光年外的波江座螺旋星系中，一顆恒星被一個超大質量黑洞撕裂并吞噬。這是迄今為止天文學家看到的距離最近的恒星“臨終”燃燒過程。它解體時發出強烈的閃光，同時以每秒大約1萬公里的速度向外拋射塵埃物質。在長達6個月的時間里，這顆恒星被黑洞慢慢吸引并吞噬，其間亮度逐漸變暗，至少一半的質量被拉成“面條”，最終消失。對此天文學家風趣地取了一個名字——“面條化”（或“拉面”）。觀測發現，這顆恒星的質量和太陽差不多，而黑洞的質量至少相當于100萬個太陽。這是迄今觀測到的距地球最近的恒星“潮汐瓦解”事件。

瑞典皇家科學院在新聞公報中說，彭羅斯使用巧妙的數學方法，論證黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結果。他證明黑洞確實可以形成，并對其進行了詳細描述：在黑洞的核心隱藏著一個奇點，它的時空曲率無窮大，密度也趨于無限大。一旦物質開始坍縮，就沒有什么能阻止坍縮的繼續，所有物質只能沿一個方向走向奇點，這是一條通往時間盡頭的“單行道”。 現在，黑洞的中心存在奇點已成為科學界的普遍認識。

公報還說，根策爾和蓋茲分別領導一個科研小組，用各種先進的望遠鏡觀測銀河系中央一個名為“射手座A *”的區域。他們都發現了一個質量非常大且看不見的天體：在不超過太陽系的空間中聚集了約400萬個太陽的質量，使周邊恒星急速旋轉。這一開創性工作提供了迄今為止最令人信服的證據，即銀河系中央有一個超大質量的黑洞。經過25年的悉心觀察研究，蓋茲的腦海里已經有了“射手座A *”的區域一些最明亮恒星的詳細地圖。“我感覺所有這些恒星都像‘孩子一樣，知道并且能叫出它們的名字，但每年它們都會變得有點不同。”她描述道，“這些‘孩子的走位越來越精確地呈現在我的眼前，可以確定，一個極其沉重、看不見的物體牽引著恒星以眩目的速度繞行。”

2019年4月10日，全球六地（比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海、中國臺北、日本東京、美國華盛頓）召開新聞發布會，發布人類歷史上第一張黑洞照片。它由全球8臺射電望遠鏡組合而成的“‘事件視界望遠鏡”拍攝，用了約兩年的時間才“沖洗”出來。照片展示了一個中心為黑色的明亮環狀結構，看上去有點像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“陰影”，明亮部分是繞黑洞高速旋轉的吸積盤。被拍到的這個超大質量黑洞位于一個名為M87的室女座超巨橢圓星系中央，質量是太陽的65億倍，距離地球大約5500萬光年。在不久的將來，銀河系中央的黑洞“真容”可能也會顯露。

從喜歡跳舞到迷上太空

蓋茲小時候喜歡跳舞，甚至有一段時間夢想成為一名芭蕾舞演員。但自從在電視上目睹了阿波羅登月后，探索宇宙的興趣倍增，盡管當時她只有4歲。十幾歲的時候，她經常在深夜望著窗外的天空思考宇宙問題，暗暗下定決心要成為一名征服太空的物理學家。雖然當時的航天領域幾乎是男性的天下，但蓋茲的母親并不認為女兒的愿望是異想天開，而是支持她堅持自己的夢想，并鼓勵她學習科學，一步步實現自己的理想。她回憶說“：我喜歡思考那些有悖論的問題。例如時間的開始和結束是什么？宇宙的邊緣在哪里？在面對擁有130億年歷史的宇宙時，你如何看待人類微不足道的10萬年前的存在？”

進入高中后，蓋茲對數學情有獨鐘，與此同時遇到了一位教化學的女老師，她嚴謹的邏輯和理性的思維讓蓋茲領略到科學女性的人格魅力。蓋茲一直把這位高中唯一的女性科學課老師作為人生路上的第一個榜樣，對自然科學更加癡迷。如果說母親是蓋茲夢想的守護神，那么高中化學老師就是她最初前進的標桿。“女性同樣可以精通數學和物理學這兩門美妙的學科，我希望能激勵其他年輕女性進入科學領域。”蓋茲在獲獎后的采訪中這樣說，“這是一個有很多樂趣的領域，如果你對科學充滿熱情，那么你就還有很多事情可以做。”

蓋茲的數學成績一向很好，被麻省理工學院錄取后開始主修數學。為了離自己探索宇宙的夢想更近，進入大二后她將專業轉為物理。1987年，她獲得麻省理工學院的物理學學士學位， 1992年在美國著名航天員兼科學家格里·紐格鮑爾的指導下獲得加州理工學院博士學位。

蓋茲樂于將自己的研究成果分享給更多熱愛宇宙學的年輕學子，正是研究與教學之間的平衡才使事業如此充實。她感到有責任鼓勵對物理學感興趣的年輕女性為之奮斗。蓋茲發現，讓自己接觸更多人的最好方法就是教書。在加州理工學院讀博士時，她就請求學校破格讓自己教授大一物理課，理由是年輕的學生們沒有足夠的女性榜樣，而她的存在可以鼓勵年輕女性從事天體物理學的職業。她極高的學術造詣、旺盛的工作精力以及對學生的熱忱關心，贏得了同行的欽佩。學校向當時還是學生的她頒發了加州理工學院教學獎，該獎在以往只頒發給學校的正式教師。為了促進學生的學習，蓋茲經常在考試和講課中加入動畫片，通過輕松的方式讓學生消除對物理的恐懼。除了教學，蓋茨還經常分析計算機數據并撰寫建議書、發表研究結果。

蓋茲堅持每年訪問凱克望遠鏡6次——這座位于太平洋夏威夷島上的天文望遠鏡坐落在海拔4200多米、人跡罕至的莫納克亞山上，由加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室和加州理工學院建造。它口徑達10米，一個晚上就可以觀測85顆恒星，極大地方便了科學家追蹤和尋找行星。

與游泳結下不解之緣

蓋茲除了在物理學研究上卓有建樹之外，還酷愛游泳。她是有著20多年歷史的UCLA布魯因大師游泳俱樂部的創始者之一，后成為加利福尼亞州的大師級游泳選手。蓋茲在美國兩屆奧運選手埃里卡·斯特賓斯的指導下進行訓練，贊賞她作為教練所表現出的積極性和精湛技巧：“斯特賓斯強調游泳對保持身體和精神健康至關重要，鼓勵我們盡力而為。”

在接受采訪時蓋茲強調，布魯因大師游泳俱樂部及其成員是她一生的重要組成部分，這是使校園能夠以有趣且不尋常的方式與自身聯系的一件奇妙事情。“很榮幸的是，我結識的不僅有教職人員，還有社區中各種各樣的人。在游泳池，大家關心的只有速度。至于從事什么工作或研究，已經全被抹去。”

這位諾獎得主發現，游泳可以幫助自己強身健體、放松身心、保持清醒，使生活中的一切保持平衡。同時還有助于她從新的角度審視問題，就像冥想那樣，有時不直接查看問題就可以將其解決。“我們生活在這個小小的星球上，每天看到太陽升起，意味著新的一天開始。”蓋茲深情地說，“我喜歡披著美麗的朝霞，興致勃勃地在UCLA施派克水上運動中心暢游。然后我離開游泳池，轉換身份，從游泳愛好者變成天文學研究者，繼續探索奧秘無窮的茫茫太空。”