经过80年,黑洞渐渐被天文学家们发现及证实。2017年,因观测到双黑洞相撞引发的引力波而获得诺贝尔奖的Kip Thorne;2019年,因黑洞理论而获诺贝尔奖的Roger Penrose,他们都提到奥本海默与H. Snyder于1939年的研究论文,首次提出黑洞的形成不可避免的概念。当时还没有“黑洞”这个名词,直至1967年才由John A. Wheeler提出命名。
宇宙的各种星体就像交响乐团的各种乐器,以不同的高低音频率演奏着大自然的旋律。科学家建立了地面和太空的天文观测站,通过不同频率的电磁波及引力波来观测宇宙。
就如吴健雄所说:“我对人类充满信心,我相信有一天我们将和平共处。”
黑洞的名字常被误解,实际上它是宇宙众多星体的一种。奥本海默与他的学生们发现,当恒星的核燃料用尽,如果质量足够大,由于引力塌缩会形成一个连光也无法逃脱的“暗星”,后被称为 “黑洞”。科学家通过观察黑洞周边天体产生的电磁波,以及黑洞直接发出的引力波来研究它。
2022年底,在电影《奥本海默》预告片发布几天后,美国能源部长宣布取消1954年对奥本海默的权限限制。这可视为一种迟来的正义。近年来,核聚变的绿色能源研究取得重大突破。正如奥本海默和物理学家们的预测,黑洞和中子星存在于浩瀚的宇宙中,宇宙中星体的核反应几乎无时无刻不在发生。如果人类的智慧能够揭示这些奥秘,相信会找到确保人类和平的方法。
在加入“曼哈顿计划”之前,被誉为“原子弹之父”的奥本海默提出了关于黑洞与中子星形成的研究,对现今天文物理产生深远影响。他的学生,华裔科学家吴健雄亦参与了曼哈顿计划,对开发分离铀元素有贡献。奥本海默甚至尊称她为“姐姐”。
奥本海默与Snyder的研究运用爱因斯坦的广义相对论,提出了恒星如何坍缩成黑洞的首个理论模型。在奥本海默的论文发表前,爱因斯坦也发表了研究论文,认为不可能形成黑洞。 然而,正当科学界对这些不同结果存疑时,德国入侵波兰,第二次世界大战欧洲战场爆发,奥本海默受邀带领二战期间研发人类首枚核武器的曼哈顿计划。
(作者为中央大学天文物理学博士,芝加哥大学费米研究所博士后研究。曾任中国科学院理论物理研究所副研究员、南洋理工大学高等研究所研究员。目前是英国物理学会经典与量子引力 Classical and Quantum Gravity学术期刊顾问。)
电影《奥本海默》引发了广泛的讨论。从科学的角度,美国理论物理学家奥本海默(Julius Robert Oppenheimer)最重要的科学贡献是他早期对黑洞的研究。
本文黑洞照片是由几个国际天文站利用不同无线电波段拍摄的,它位于银河系的中心,距离我们5400万光年,估计质量在35到66亿倍太阳质量之间,属于“超大质量黑洞”。科学家发现几乎每个星系的中心都存在着超大质量黑洞。
电影中有一场景,奧本海默将弹珠投进玻璃容器中,以展示原子弹制造的燃料进展。吴健雄在哥伦比亚大学分离铀的贡献,在其中起到了主要作用。
黑洞知多少?
电影中忽略的女科学家
黑洞与中子星
奥本海默量子力学课程的学生中,包括华裔科学家吴健雄。电影中柏克莱大学放射实验室的劳伦斯(Ernest Lawrence)是吴健雄的指导教授。由于吴健雄在实验工作的全然投入,她很快成为原子核裂变及放射性同位素的专家。奥本海默称她为“姐姐”(Jie Jie),而吴健雄则称奥本海默为“Oppie”。
在2015年,激光干涉引力波天文台LIGO首次利用引力波,观测到两个质量约为30个太阳质量的黑洞碰撞后形成一个黑洞,这属于宇宙“原初黑洞”。碰撞后产生的引力波经过130亿年到达地球,使我们首次直接接收到宇宙早期暴胀后“原初黑洞”形成的信息。至今, LIGO已观测到十几次不同时间和距离的引力波天文事件。
电影开始部分描绘了奥本海默于1924年到欧洲学习物理,那时正值欧洲量子物理蓬勃发展的时期。他回到美国后,在加州柏克莱大学建立了理论物理研究组,开设量子力学课,吸引了众多杰出学生。当时的主要研究是利用量子理论来了解星体。其中,H. Snyder和G.M. Volkoff分别与奥本海默做了理论计算,于1939年预测了黑洞和中子星的存在。
奥本海默强调吴健雄的贡献
二战结束后,奥本海默离开了曼哈顿计划,前往普林斯顿大学高等研究所担任所长。那时,该研究所汇聚了众多著名理论物理学家,包括爱因斯坦、W. Pauli、Freeman Dyson、李政道、杨振宁、黄克孙(前南洋理工大学访问教授)等。
1956年,李政道与杨振宁提出弱作用宇称不守恒理论,而在哥伦比亚大学,吴健雄设计了实验,证实了李杨的理论。1957年10月,吴健雄在纽约州北部一所大学讲课,奥本海默通过电话告诉她:“姐姐,杨振宁和李政道获得了今年的诺贝尔奖。”奥本海默为此特别在普林斯顿举行了一场晚宴,邀请吴健雄及杨振宁、李政道等人参加。晚宴前,他强调不可忽视吴健雄的贡献,并特地安排她坐在自己身边,以表达对她的尊敬。
1944年,吴健雄受邀参加哥伦比亚大学的曼哈顿计划,在那里,她协助开发分离铀元素的研究工作。她还帮助解决了困扰其他科学家的同位素链反应问题。
这些黑洞观测数据使人类能够研究银河系及宇宙的形成,理解大自然的旋律,并能够预测银河系及宇宙的未来。