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【諾貝爾獎闡釋】由印證愛因斯坦廣義相對論 到發現黑洞存在的實證

2020/10/7 — 19:48

黑洞是宇宙間最神秘的事物之一,我們未能直接觀察到它,也不可能觸碰到它;但與此同時,科學家也確信它的存在,而人類對黑洞的了解,部份是建基於三位諾貝爾得獎物理學家 Roger Penrose 、Reinhard Genzel 及 Andrea Ghez 的研究。

1965 年,愛因斯坦離世後十年,英國物理學家 Roger Penrose 根據愛因斯坦提出的廣義相對論,以數學模型證明到黑洞的存在。與不少人一樣, 這位諾貝爾得獎者在考試表現不是特別理想,他憶述:「我經常都做得很慢。我數學不錯,對,但我在測驗的表現不一定很好。」但他的老師留意到,只要給予他足夠時間,他一樣可以做得很好。老師的耐性,讓他有機會繼續發揮。他之後攻讀數學,並在劍橋大學取得博士學位。

Penrose 對拓撲學(topology)最感興趣,利用該學科知識嘗試理解黑洞。他提出的數學模型,在無需考慮對稱問題下,描述了黑洞形成機制;而他也以數學證實到愛因斯坦的廣義相對論是黑洞形成的原因,而非科學家的空想。有趣的是,愛因斯坦本身不相信黑洞的存在,但他卻以方程式證明了黑洞確實可出現,並認為只要天文學家觀察適當位置,將可找到相關的證據。

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發現「拉動 400 萬顆恆星的隱形物體」

數學模擬是一回事,但要真正尋找到此宇宙結構是另一回事。德國天體物理學家 Reinhard Genzel 及美國天文學家 Andrea Ghez 各自的研究團隊,都在 1990 年代專注研究銀河系中史的人馬座 A* (Sagittarius A*),並不斷更準確地譜出當中最明亮的恆星星圖。然而,星空間的星塵令他們難以進一步探究當中奧秘,因此不同國家開始利用最大型天文望遠鏡,研發出可看透星塵、觀察到銀河中心的新方法。

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Genzel 先在 2002 年公佈有一隱形物體,正拉動著約 400 萬顆恆星,使它們在太陽系大小的範圍中圍繞移動;而 Ghez 的團隊也有相關發現。兩組人員的研究,成為了銀河系中心,存在超大型黑洞的最有力證據。

三人的發現不是終結,而是引發起更多新問題的機會,他們三人各自團隊的努力,令科學家增加了對黑洞的了解。

文/Edward Ho

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