▲ 銀河系超大質(zhì)量黑洞內(nèi)的瘋狂活動(dòng)
北京時(shí)間 12 月 2 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，2020 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位研究人員。他們證實(shí)了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論可以預(yù)測(cè)黑洞，并確認(rèn)銀河系的中心是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞——體積相對(duì)雖小，但質(zhì)量卻相當(dāng)于 400 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。超大質(zhì)量黑洞周?chē)膹?qiáng)大引力場(chǎng)，除了可以增加我們對(duì)黑洞的理解，也是我們?cè)跇O端條件下研究自然的實(shí)驗(yàn)室。今年的諾貝爾獎(jiǎng)得主、來(lái)自 UCLA 的安德里亞 · 蓋茲和其他研究人員，已經(jīng)測(cè)量了強(qiáng)大引力是如何改變精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，是定義物理宇宙（以及宇宙中生命）的自然常數(shù)之一。這項(xiàng)研究也延伸了其他正在進(jìn)行中的工作，從而去理解這些常數(shù)，以及去弄清楚它們是否會(huì)隨時(shí)間和空間而改變。研究人員希望通過(guò)這些研究，找到基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型和當(dāng)前宇宙學(xué)中種種問(wèn)題的解決線(xiàn)索。
▲ 2020 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安德里亞 · 蓋茲
和蓋茲分享 2020 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的，還有劍橋大學(xué)的羅杰 · 彭羅斯（他的研究加深了我們對(duì)黑洞的理論理解）和德國(guó)加爾興馬克斯 · 普朗克地外物理研究所的賴(lài)因哈德 · 根策爾。蓋茲和根策爾展開(kāi)了相似但獨(dú)立的觀(guān)察與分析研究，并各自推斷出我們的銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。從 2.7 萬(wàn)光年之外，獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)需要使用大型望遠(yuǎn)鏡。蓋茲與夏威夷莫納克亞山上的凱克天文臺(tái)合作；而根策爾則使用了位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）。蓋茲和根策爾都發(fā)現(xiàn)，他們觀(guān)測(cè)到的恒星運(yùn)動(dòng)皆因銀河系中心的巨大質(zhì)量所致。他們也獲得了相同的數(shù)據(jù)：差不多太陽(yáng)系大小的區(qū)域，有著 400 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的質(zhì)量。顯然，這是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。
蓋茲在凱克天文臺(tái)的研究也讓她成為今年發(fā)表的一篇論文的共同作者。在這篇論文中，巴黎天文臺(tái)的奧雷里昂 · 希斯和 13 位國(guó)際同事展示了銀河系超大質(zhì)量黑洞附近的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)結(jié)果。蓋茲的研究，不僅摘得諾貝爾獎(jiǎng)，也為該論文提供了數(shù)據(jù)支持。更值得注意的是，蓋茲的研究在觀(guān)察超大質(zhì)量黑洞附近的恒星運(yùn)動(dòng)時(shí)，將當(dāng)今理論和天文技術(shù)，與約翰內(nèi)斯 · 開(kāi)普勒和艾薩克 · 牛頓時(shí)期的思想相結(jié)合。這再一次佐證了牛頓在 1675 年，就科學(xué)發(fā)展表達(dá)的見(jiàn)解，他說(shuō)：“如果說(shuō)我看得比別人更遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏??！?/p>
德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒就是這樣一位巨人。他在 1609 年提出的行星運(yùn)動(dòng)定律改變了科學(xué)。他率先證明，行星并不是繞著太陽(yáng)做完美的圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)開(kāi)普勒定律，行星沿橢圓軌道環(huán)繞太陽(yáng)，而太陽(yáng)則位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)中。（橢圓有兩個(gè)焦點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)相對(duì)橢圓中心對(duì)稱(chēng)分布，并定義該橢圓的形狀。）開(kāi)普勒還發(fā)現(xiàn)了行星軌道大小與行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。
1687 年，牛頓為開(kāi)普勒定律給出了更深入、更清晰的物理根據(jù)。牛頓的萬(wàn)有引力定律，以物體間的相互吸引為基礎(chǔ)，證明環(huán)繞某一物體運(yùn)動(dòng)的天體，它的運(yùn)動(dòng)軌跡呈橢圓形，且橢圓軌道大小取決于該物體的質(zhì)量。學(xué)過(guò)天文學(xué)基礎(chǔ)的對(duì)這條定律都不會(huì)陌生，而這條定律也是蓋茲計(jì)算出超大黑洞質(zhì)量的依據(jù)。她多年的精心觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地描繪了環(huán)繞銀河系中心運(yùn)動(dòng)的恒星橢圓軌道；然后蓋茲利用牛頓的理論計(jì)算出位于銀河系中心位置的物體質(zhì)量（牛頓定律的理論基礎(chǔ)如今已被廣義相對(duì)論所取代。廣義相對(duì)論雖然預(yù)言了黑洞，但牛頓的理論用于計(jì)算繞超大質(zhì)量黑洞運(yùn)動(dòng)的恒星軌道已足夠準(zhǔn)確。）了解這些軌道，對(duì)于測(cè)量超大質(zhì)量黑洞附近強(qiáng)大引力中的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，至關(guān)重要。該常數(shù)與引力的關(guān)系，或許可以為我們提供一些線(xiàn)索，以便修改標(biāo)準(zhǔn)模型或廣義相對(duì)論，從而解決當(dāng)代物理學(xué)中的兩大難題：暗物質(zhì)和暗能量。
這種特殊的研究正契合我們對(duì)自然基本常數(shù)的更大范圍的長(zhǎng)期研究。這其中的每一個(gè)自然基本常數(shù)都可以告訴我們一些關(guān)于最深層理論的范圍或尺度的信息。和其他常數(shù)一起，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)（以希臘字母α表示）出現(xiàn)在隸屬基本粒子量子場(chǎng)論范疇的標(biāo)準(zhǔn)模型中。α的數(shù)值，定義了光子和帶電粒子之間電磁力相互作用的強(qiáng)度；而電磁力則為宇宙基本力之一，其他宇宙基本力還包括引力、強(qiáng)核力和弱核力。電磁力決定了質(zhì)子之間的排斥程度以及電子在原子中的行為。如果α的值與我們所知的值相差很大，那么這會(huì)影響恒星內(nèi)部的聚變是否會(huì)產(chǎn)生碳元素、或者原子是否可以形成穩(wěn)定的復(fù)雜分子。這兩者都對(duì)生命至關(guān)重要，也側(cè)面說(shuō)明了α的重要性。
其他常數(shù)則代表了其他主要的物理理論：真空中的光速（表示為 “c”），對(duì)相對(duì)論至關(guān)重要；馬克斯 · 普朗克推導(dǎo)出的常數(shù)（“h-bar”或? = h/2π）描述了極小的量子效應(yīng)；以及牛頓理論和廣義相對(duì)論中的引力常數(shù) “G”，決定了天體之間的相互作用。1899 年，普朗克僅以這三個(gè)常數(shù)，定義了一個(gè)僅基于自然屬性、不涉及任何人造屬性的通用測(cè)量系統(tǒng)。普朗克寫(xiě)道，該系統(tǒng)對(duì)于 “任何時(shí)代、所有文明——無(wú)論是外星文明還是非人類(lèi)文明”，都將是相同的。
普朗克根據(jù) c、?和 G 推導(dǎo)出長(zhǎng)度、時(shí)間和質(zhì)量的自然單位：Lp = 1.6 x（10 的 - 35 次方）米、Tp = 5.4 x（10 的 - 44 次方）秒，以及 Mp= 2.2 x（10 的 - 8 次方）千克。雖然這些單位因量級(jí)太小而在實(shí)際中鮮有應(yīng)用，但它們卻有概念上的意義。在當(dāng)今的宇宙中，基本粒子間的引力相互作用太微弱而無(wú)法影響它們的量子行為。但是，只需將物體分開(kāi)一點(diǎn)點(diǎn)的普朗克長(zhǎng)度 Lp（小于基本粒子的直徑），它們之間的引力相互作用就會(huì)變得足夠強(qiáng)，足以匹敵量子效應(yīng)。這定義了大爆炸之后 10 的 - 44 次方秒的 “普朗克時(shí)期”。這段時(shí)期，引力效應(yīng)和量子效應(yīng)強(qiáng)度相當(dāng)，因此我們需要一個(gè)綜合的量子引力理論，而我們當(dāng)前使用的獨(dú)立的量子理論和引力理論則不適用。
但是，對(duì)一些物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，c、?和 G 并非真正的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀Q于測(cè)量的單位。比如，在公制單位中，c 為 299792 千米 / 秒；而在英制單位中，c 為 186282 英里 / 秒。這說(shuō)明，物理單位有文化的差異，而非自然界固有的。（1999 年，NASA 的火星氣候探測(cè)者號(hào)墜毀，原因就是兩組科學(xué)家團(tuán)隊(duì)忘記檢查另一個(gè)團(tuán)隊(duì)使用的是哪一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。）但是，純數(shù)字的常數(shù)可以在不同文化之間完美轉(zhuǎn)換，甚至跟外星人的測(cè)量單位也可以完美轉(zhuǎn)換。
精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α因其所具備的純數(shù)字性而受到關(guān)注。1916 年，在計(jì)算氫原子中單個(gè)電子在量子能級(jí)躍遷時(shí)釋放或吸收的光波長(zhǎng)時(shí)，研究人員引入精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。尼爾斯 · 玻爾的早期量子理論預(yù)測(cè)到了主要波長(zhǎng)，但光譜還顯示了其他特征。為了解釋這些特征，德國(guó)理論物理學(xué)家阿諾爾德 · 索末菲在氫原子的量子理論中加入相對(duì)論。他的計(jì)算依賴(lài)一個(gè)被他稱(chēng)為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的數(shù)字。該數(shù)字包括?、c，以及基本電荷 e（另一個(gè)自然常數(shù)）；還有真空電容率ε0。值得注意的是，在這個(gè)組合中，物理單位竟全部抵消，僅留下純數(shù)值 0.0072973525693。
▲ 艾薩克 · 牛頓
索末菲只是將α用作一個(gè)參數(shù)。但是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)真正受到關(guān)注，要等到二十世紀(jì)的二十年代。當(dāng)時(shí)，法國(guó)物理學(xué)家保羅 · 狄拉克在相對(duì)論量子力學(xué)的高級(jí)研究中再次引入精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。接著，該常數(shù)又出現(xiàn)在英國(guó)天文學(xué)家亞瑟 · 愛(ài)丁頓的萬(wàn)有理論中。他希望將量子理論與相對(duì)論相結(jié)合，以推導(dǎo)出宇宙的屬性，如宇宙中的基本粒子和各種常數(shù)，其中就包括α。
愛(ài)丁頓所用方法的一個(gè)特別之處在于，他考慮的是 1/α，而非α本身。因?yàn)樗姆治霰砻鳎?/α必然是一個(gè)整數(shù)，且是一個(gè)純數(shù)字。這與現(xiàn)代測(cè)量結(jié)果一致，1/α的值等于 137.1，非常接近 137。而愛(ài)丁頓計(jì)算得出的結(jié)果是 136，數(shù)值之接近足以引起人們的興趣。但是，進(jìn)一步的測(cè)量證實(shí) 1/α的值等于 137.036。愛(ài)丁頓試圖解釋這其中的差別，但結(jié)果并不能令人信服。又因?yàn)榛蜻@或那的原因，愛(ài)丁頓的理論終究未能存續(xù)下來(lái)。
但是α和數(shù)字 “137”之間的聯(lián)系保留了下來(lái)。也因此，理查德 · 費(fèi)曼將 “137”稱(chēng)為 “神奇數(shù)字”。當(dāng)然他說(shuō)的神奇數(shù)字，跟數(shù)字命理學(xué)毫無(wú)瓜葛。事實(shí)上，α的神奇之處在于，我們雖然知道如何測(cè)量α的值，但卻不知道如何從已知的任何理論中推導(dǎo)出α的值。盡管如此，α的值在量子電動(dòng)力學(xué)（電磁量子理論）中至關(guān)重要。
所以，大家一致認(rèn)可，α是一個(gè)重要的自然常數(shù)。現(xiàn)在，既然我們已經(jīng)知道了這些常數(shù)的值，那么物理學(xué)家們又要問(wèn)了，這些常數(shù)的值，真的永遠(yuǎn)不變嗎？1937 年，狄拉克在思考宇宙基本力的時(shí)候，猜測(cè)α和 G 的值將隨著宇宙年齡的增長(zhǎng)而改變。另一個(gè)更古老的猜測(cè)是，這些常數(shù)是否在整個(gè)宇宙中有變化。
變化的 “常數(shù)”，不僅會(huì)改變基于這些常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模型和宇宙論，也會(huì)改變廣義相對(duì)論。這些理論等等都無(wú)法解釋暗物質(zhì)和暗能量。在 “我們的宇宙是經(jīng)過(guò)了’微調(diào)’，從而孕育生命”這樣的觀(guān)念中加入α的角色，以及相關(guān)的想法——如在眾多宇宙中，我們存在的那個(gè)宇宙具有最完美的α值等等，這一切都激發(fā)了人們對(duì)自然常數(shù)的研究，其中大部分研究都集中于精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α。
地球上的測(cè)量幾乎可以肯定α的值是固定不變的。一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目是在天文距離上測(cè)量α的值。這也決定了宇宙早期時(shí)候的α值：因?yàn)閿?shù)十億光年外的光需要花很長(zhǎng)時(shí)間，才能從年輕的宇宙到達(dá)現(xiàn)在的我們這里。自從 1999 年以來(lái)，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的約翰 · 韋伯和他的同事就一直在收集來(lái)自被稱(chēng)為 “類(lèi)星體”的遙遠(yuǎn)星系核心的光，以測(cè)量α的值。類(lèi)星體中心的黑洞會(huì)吸收發(fā)光的塵埃。這些來(lái)自類(lèi)星體的光穿過(guò)星際云，然后原子特征波長(zhǎng)在氣體云中被吸收。分析該波長(zhǎng)可以得出遙遠(yuǎn)位置的α值，道理和我們?cè)诘厍蛏嫌脷洳ㄩL(zhǎng)首先確定α一樣。
韋伯的早期研究結(jié)果顯示，在過(guò)去 60 億年或更長(zhǎng)時(shí)間里，α增加了 0.0006%，并且這個(gè)增加的值取決于測(cè)量位置相對(duì)于地球的距離。2020 年發(fā)布的研究結(jié)果顯示，現(xiàn)在的α和 130 億年前（那時(shí)宇宙的年齡不過(guò) 8 億歲）的α相比，有微小的變化。種種研究結(jié)果還表明，α也隨空間方向的不同而改變。但總體而言，實(shí)驗(yàn)誤差太大，任何測(cè)量到的α值的變化，其準(zhǔn)確性有待商榷。但可以肯定的是，這些變化非常微小。
現(xiàn)在，我們可以測(cè)量強(qiáng)引力場(chǎng)中的α值。理論上來(lái)看，強(qiáng)引力場(chǎng)中的α值應(yīng)該會(huì)改變。已知最強(qiáng)的引力場(chǎng)來(lái)自黑洞；宇宙飛船只有在達(dá)到無(wú)法企及的光速時(shí)才有可能逃離黑洞。白矮星的周?chē)舶橛袕?qiáng)大的引力場(chǎng)。2013 年，新南威爾士大學(xué)的 J.C。布倫格特和韋伯等人一起分析了來(lái)自一顆白矮星的光譜數(shù)據(jù)，得到的α值相比地球的α值，存在 0.004% 的變化。
但是，一直到今年，希斯和蓋茲等人發(fā)布共同研究之前，從未有人測(cè)量過(guò)超大質(zhì)量黑洞附近的α值。蓋茲在凱克天文臺(tái)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)協(xié)助研究人員選擇了五顆特殊的恒星。它們的軌道會(huì)使其接近超大質(zhì)量黑洞，從而最大化該超大質(zhì)量黑洞的引力作用。另外，由于周?chē)暮阈谴髿猓@幾顆恒星的光譜顯示出強(qiáng)吸收特性。這有助于研究人員針對(duì)每一顆恒星，從吸收波長(zhǎng)中，推導(dǎo)出α的值。最終的復(fù)合結(jié)果再次表明，超大質(zhì)量黑洞附近的α值，與地球上的α值相比，存在僅 0.001% 甚至更小的變化。
雖然測(cè)得的α值變化很微小，但針對(duì)超大質(zhì)量黑洞周?chē)?chǎng)中不同位置的五顆恒星的研究，帶來(lái)了新的結(jié)果；該研究也對(duì)理論預(yù)測(cè)做了早期測(cè)試，即α的變化，與引力勢(shì)的變化，成正比。（引力勢(shì)即引力場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量。）
就目前而言，在時(shí)間、空間和引力下，測(cè)得的α值的變化仍太小或存在不確定性，因而無(wú)法指導(dǎo)物理學(xué)家轉(zhuǎn)向新的理論，甚至都不足以激發(fā)新的猜測(cè)，比如宇宙深處或黑洞附近是否有生命存在。
不過(guò)，知道在一個(gè)不斷變化的宇宙中，這個(gè)特別的自然常數(shù)可以保持穩(wěn)定，興許也是一種安慰。但是，如果在銀河系的超大質(zhì)量黑洞周?chē)^(guān)測(cè)到α值的更大變化，這或許將標(biāo)志著新物理學(xué)的起點(diǎn)。希斯在他的郵件采訪(fǎng)中寫(xiě)道，如今，他的目標(biāo)是更深入地研究黑洞的引力場(chǎng)。他計(jì)劃在 2021 年進(jìn)行一項(xiàng)新的優(yōu)化測(cè)量，以 “觀(guān)察與黑洞距離更近的恒星，因?yàn)榫嚯x更近，這些恒星也將經(jīng)歷更強(qiáng)的引力勢(shì)…… 但是利用當(dāng)前的技術(shù)，對(duì)于十分靠近黑洞的恒星，我們很難獲得較好的光譜觀(guān)察數(shù)據(jù)”。但希斯仍舊相信，他可以將測(cè)量誤差減少 10 倍。
蓋茲那獲得諾貝爾獎(jiǎng)的研究，很大程度上仰仗于觀(guān)測(cè)技術(shù)和光譜技術(shù)的巨大進(jìn)步?？梢钥隙ǖ氖牵赃@個(gè)成功項(xiàng)目為基礎(chǔ)的技術(shù)改進(jìn)，將繼續(xù)加深我們對(duì)超大質(zhì)量黑洞的研究。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。