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有·闻 | 《跨界·对话》第十二讲(总第94讲):宇宙之王:引力——2020年诺贝尔物理学奖的故事
文章出处: 发布时间: 2020年12月01日 访问次数:

11月25日晚,核心通识课程《跨界·对话》邀请到了厦门大学天文学系“闽江学者”特聘教授、博士生导师武剑锋教授,为同学们带来了主题为《宇宙之王:引力——2020年诺贝尔物理学奖的故事》的讲座。

武剑锋教授正在作讲座

武剑锋教授本科和硕士毕业于清华大学物理系,博士毕业于美国宾夕法尼亚州立大学天文与天体物理系,哈佛-史密松天体物理中心与密歇根大学博士后。武剑锋教授的研究领域为黑洞天体物理学,以各种质量尺度的黑洞为对象,研究黑洞周围的基本物理学规律和宇宙的演化历史。与此同时,武剑锋教授是中国“慧眼”硬X射线调制望远镜、中国空间站光学望远镜科学工作组成员。

2020年诺贝尔物理学奖再一次颁给了天体物理学领域,是近四年的第三次,凸显了这个领域近年来的蓬勃发展。在本次讲座中,武剑锋教授以戏剧的形式引领大家漫游人类认识引力、认识黑洞的历史。讲座一共分为四幕,第一幕主题为”牛顿的苹果与爱因斯坦的梵阿玲“,第二幕主题为”奔腾的六十年代“,第三幕主题为”那个看不见的舞伴“,第四幕主题为”十年磨一剑“。

第一幕伊始,武剑锋教授对宇宙的层级结构进行了介绍,让同学们对宇宙的结构以及我们的家园——地球在宇宙中所处的位置有了更深入的了解。对于宇宙而言,时间和空间是不可分割的,“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。”从”宇宙“一词被创造之时,其本身就包括了空间和时间。

武剑锋教授向同学们展示的宇宙层级结构

谈及近代物理学界,人们的脑海中浮现的两个物理学家的名字便是牛顿和爱因斯坦。武剑锋教授以一张图概括了牛顿对物理学界的贡献。牛顿曾说:“如果说我比别人看得更远,是因为我站在了巨人的肩膀上。”在牛顿之前,第谷积累了大量关于行星运动的精确观测数据。开普勒作为第谷的助手,承袭了第谷的观测遗产,从第谷的数据中总结出了行星三大定律:行星第一定律是行星绕恒星公转的轨道是一个椭圆,恒星在椭圆的一个焦点上;行星第二定律是行星与恒星连线在相同时间内扫过的面积相等;行星第三定律是行星的公转周期的平方和轨道半长轴的立方成正比。牛顿在二者研究成果的基础上提出了万有引力定律。

武剑锋教授正在介绍牛顿对物理学界的贡献

武剑锋教授以水星为例展现了关于行星近日点进动的天文问题,爱因斯坦正是推动这一问题解决的重要人物。爱因斯坦认为,所有的物理理论都应该像用梵阿玲演奏出的音乐一样简洁而优美,几何正是一种简洁而优美的解释手段。爱因斯坦认为“引力”即“几何”,有质量的物体会让时空弯曲,不同材质的物体都沿“测地线”运动,这正是爱因斯坦对于引力的解释。爱因斯坦的引力场方程很好地诠释了物质与时空的关系。著名物理学家惠勒所说的“物质告诉时空如何弯曲,而时空告诉物质如何运动”则是对广义相对论的最好解释。

 

在第二幕“奔腾的六十年代”中,2020年诺贝尔物理学奖的三位获奖者之一——罗杰·彭罗斯正式登场。在20世纪60年代以前,人们认为黑洞的奇点是不存在的,直到罗杰·彭罗斯在1965年提出了奇点定理,人们才意识到了黑洞奇点存在的必然。而罗杰·彭罗斯因证明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果而获得了2020年诺贝尔物理学奖。同时,也是在20世纪60年代,类星体的发现第一次为人们提供了存在超大质量黑洞的线索。

武剑锋教授正在向同学们展示2020年诺贝尔物理学奖获奖者

在第三幕“那个看不见的舞伴”中,武剑锋教授以太阳为例讲述了恒星的一生。在特别大的恒星死亡时,它会留下恒星级的黑洞。在探索恒星的一生的科学工作中,钱德拉塞卡、奥本海默两位物理学家做出了卓越贡献。根据奥本海默等人的工作,当致密星的质量超过奥本海默极限,即3倍太阳质量的时候,致密星只能是一个黑洞。现今我们已经通过质量测量确认了23个黑洞双星系统,在大数据时代,黑洞搜寻变得更具可行性。

第四幕“十年磨一剑”的故事主角是2020年诺贝尔物理学奖的另外两位获得者——赖因哈德·根策尔与安德烈娅·盖兹。他们因在银河系中央发现超大质量天体而获得了本年度诺贝尔物理学奖。两位科学家通过不懈的努力,取得了重大科研成就,除发现了超大质量天体之外,他们所采用的科学研究方法更是适用于恒星S2轨道进动,为下一次物理学革命提供了可能的契机。

武剑锋教授认为,天体物理学的发展依赖于天文观测设备的进步,天文观测如果只依赖最初的可见光技术观测,便如同盲人摸象。而随着如今从射电到伽马射线各个波段的高级天文观测设备的出现,天文观测得以更加精确。我国已经或即将建成中国天眼、郭守敬望远镜、慧眼X射线卫星、中国空间站光学望远镜等一流天文观测设备,武剑锋教授也相信,中国的天文事业必将走向更光明的未来。

在互动环节中,武剑锋教授向同学们推荐了《黑洞简史》等天文学类书籍。他认为,文理不分家,非天文专业的同学也可以了解天文发展的脉络,多多走近天文学科。在谈及科研之时,武剑锋教授认为,物理研究是验证假设的过程,这也是科学的魅力所在,科学正是在不断探索与验证的过程中进步的。

讲座最后,李晓红教授为武剑锋教授送上了感谢状,感谢他为同学们带来了精彩的讲座。

李晓红教授为武剑锋教授送上感谢状

《跨界·对话》作为厦门大学通识教育中心推出的精品课程,旨在与各学科进行对话,由此引发新的学术思考、开拓学生视野。之后,《跨界·对话》将继续邀请各界名师开设讲座,敬请期待!        

 

编辑|丁林未

排版|丁林未

校对|肖薇

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