《諾貝爾物理學獎(一半)2020相關研究「專業」簡介》

學術
#1 牛河博士生
10/10/20 00:43

(網絡圖片)

嚟到十月,除左有世界某地區嘅「國殤日」外,亦係一年一度諾貝爾獎公佈得主嘅日子。而啱啱哩個禮拜,瑞典皇家科學院就公佈將今年嘅諾貝爾物理學獎一半頒畀著名理論物理學家兼數學家彭羅斯(Roger Penrose),另一半畀德國天體物理學家根素爾(Reinhard Genzel)同美國天文學家蓋茲(Andrea Ghez),以表揚佢哋喺黑洞(black holes)研究上作出嘅重大貢獻:前者由理論層面上,證明黑洞係廣義相對論(general relativity)嘅幾乎必然產物;而後兩者就由上世紀90年代開始,分別率領團隊透過多座世界最大嘅望遠鏡,用各種方法去直接觀察銀河系中心,證實咗嗰度存在住一個質量異常龐大嘅緻密天體(supermassive compact object)* [1]。

*一般相信係超大質量黑洞

對今年哩個結果,小弟身為一個(前?)理論物理學家,當然感到興奮,尤其係興幸彭羅斯唔使「步霍金後塵」,佢「終於」被評審賞識#,有機會借哩個機會令更多大眾關注同了解一下佢早年嘅革命性研究成果(而且佢仲係「祖國」嘅物理學家!)。不過有見大部份中文媒體報導,普遍都只係搬字過紙,直接翻譯外文報導,而且講解得唔精確,所以小弟想喺呢度嘗試嚟個「專業」簡介,講解吓彭羅斯嘅研究有幾重要同犀利。

# 其實有陣時小弟會覺得喺現今哩個時代,攞唔到諾貝爾獎某程度上先係理論物理學家嘅「榮譽」。始終諾貝爾獎太多過時嘅規則,而且理論物理學研究一早已經超前實驗研究好多,受人類科技所限,好多理論其實都好難可以喺物理學家生前被驗證到

「黑洞只係空中樓閣」,早期嘅相對論/黑洞研究

(圖片擷取自 youtube, 《What if Black HOLES were in Minecraft?》)

正式入主題前,我哋有需要了解一下相對論/黑洞研究史。愛因斯坦喺1915年發表嘅廣義相對論,無疑係物理學歷史上其中一個最重要同劃時代嘅理論,完美取締咗多年無可撼動嘅牛頓萬有引力理論。去到百多年後嘅今日,哩套理論仍然係物理學重要嘅研究課題,亦宇宙學研究必備工具之一。

雖然哩套理論非常優美同「簡單」,當中嘅愛因斯坦場方程,甚至係只涉及4維時空度規張量(4-dimensional spacetime metric),運動方程為二階微分方程(second order differential equation)嘅定域性重力理論嘅唯一可能性(詳見Lovelock’s theorem [2]),但要完整明白整套理論同當中嘅可能性仍然係一件好困難嘅事。

首先廣義相對論嘅場方程係非線性(non-linear)偏微分方程,哩啲方程係冇辦法完整咁被破解,每個解都可以好唔同。另外物質/能量同時空間嘅關係環環相扣,前者嘅分佈決定時空點扭曲同演化,而同一時間,時空嘅曲率同演化又反過嚟影響番物質/能量點運行。所以絕大部份情況下,數學家同物理學家係冇辦法直接去解廣義相對論嘅方程(就算用電腦numerically都好難,係上世紀未先開始有突破,好似係)。

#2 牛河博士生
10/10/20 00:50

(credits: xkcd, #1158)

因為咁,尤其喺相對論研究早期,數學家同物理學家好多時都會退而求其次,假設一啲好特殊情況,例如有球狀對稱性嘅情況,簡化啲方程去解,就好似最早發現嘅史瓦西解(Schwarzschild solution)咁。而黑洞就係由史瓦西解出發,想像如果相關物質嘅質量全部被壓縮入史瓦西半徑內,從而得出嘅理論猜測。當哩個情況出現時,喺已知同被驗證嘅物理學框架下,係冇任何機制可以阻止物質被重力塌縮至一個「奇點」— 時空中一個密度無限大嘅一點^。

^ 一般相信「奇點」唔係真實存在,唔係咩所有物理學/自然法則唔成立嘅「神之領域」「奇點」正確應該理解做廣義相對論失效嘅地方,代表需要用更加完善嘅量子重力去取締解釋。

不過哩個推論建基於特殊完美對稱性情況嘅假設上,而且數學上嘅方程解唔代表現實上存在,就好似「現實自然世界唔存在完美嘅三角形」,「愛因斯坦嘅靜態宇宙只係廣義相對論嘅特殊兼唔穩定嘅解,亦唔係我哋宇宙嘅模型」。所以上世紀60年代之前,唔少物理學家都認為黑洞只係「空中樓閣」。而愛因斯坦都係當中嘅一份子,佢自己一直都唔相信黑洞現實上存在 [3]。

黑洞係廣義相對論入面,無可避免嘅必然產物

(彭羅斯發明嘅彭羅斯圖。上圖描述一個史瓦西黑洞)

為左解答黑洞究竟係唔係只係特殊數學解哩個疑問,上世紀50年代數學家同物理學家就開始諗方法,喺唔考慮完美對稱嘅情況下,去解愛因斯坦場方程。其中一個就由惠拿(John Wheeler)等人提出嘅運用微擾理論(perturbation theory)嘅方法,加一啲微擾變化落完美對稱情況,去研究完美對稱解係唔係穩定,同拓展去考慮一啲條件冇咁苛刻嘅情況。而與此同時,彭羅斯就選擇走另一條革命性、完全唔同嘅路,透過研究時空嘅幾何同拓撲結構,去理解事件喺廣義相對論中嘅因果關係結構。

而佢研究得出嘅結論,就係喺廣義相對論框架同好普遍嘅情況下,只要某局部地方嘅重力足夠強大,能夠永遠困住入面嘅物質(包括暗物質)$,咁最終必然會演化出到一個「奇點」。所以只要恆星質量夠大,就無可避免會演化出黑洞。換句話說,哩個結論證明咗廣義相對論必然係未完善,唔係最終理論。

$ 除非你考慮暗能量嗰類exotic matter

哩個研究成果亦inspire咗霍金搵佢合作,將個結論反過嚟應用喺宇宙演化,證明廣義相對論框架下宇宙必然始於一個「奇點」,即係大爆炸奇點。結合哩兩個研究結論,就係著名嘅彭羅斯-霍金奇點定理(Penrose-Hawking singularity theorems)

#3 牛河博士生
10/10/20 00:54

後記

除左研究理論物理學,彭羅斯亦係一位數學家,數學方面嘅貢獻都唔少,其中包括彭羅斯密鋪(Penrose tiling)嘅發現[4]。佢近年甚至走去研究意識,嘗試用量子力學去解釋/理解意識,不過個人對佢哩方面嘅研究就不願置評啦。

PS:每次網上有人討論天文物理學或分享相關新聞嘅時候,唔知點解不時會有人彈出嚟話「只係勁噏,都未親身去/睇過」、「都驗證唔到」、「研究嚟都無用」,尤其某個城市。對此,小弟只係想講Xiang Gang果然係人傑地靈,人材輩出,唔怪知會出到阿叻哩類偉人(曲)

今次講到哩度,下次再講。

延伸閱讀:

[1] 諾貝爾物理學獎英文官方新聞稿

[2] (英文維基)

《The Einstein Tensor and Its Generalizations》by D.Lovelock (專業理論物理學學術論文,「慎入」)

[3] 《The Reluctant Father of Black Holes》by Jeremy Bernstein,刊於《Scientific American》(英文)

[4] 《諾貝爾物理獎得主潘洛斯爵士手中的數學》,數感實驗室 Numeracy Lab

[5] 《Sir Roger Penrose: The man who proved black holes weren’t ‘impossible’》BBC

[6] 《奇點與奇點定理簡介 (三)》,盧昌海著(殘體勿屌)

[7] 《How Time Becomes Space Inside a Black Hole | Space Time》by PBS Space Time

[8] 《「黑洞係橙色嘅?」*淺談乜嘢係黑洞》

#4 牛河博士生
10/10/20 00:55

原文link:

#5 鴉片戰爭180年
10/10/20 01:10

冇人睇得明

#6 碼頭明里
10/10/20 02:55

雖然很厲害,但真是看不懂

#7 伊莉雅
10/10/20 04:03

每次都有認真睇到最後架 只係....

#8 殺龍巴斯
10/10/20 04:47

正皮不解釋

#9 Lalisa Manoban
10/10/20 04:50

#10 /dev/null
10/10/20 06:48

"小弟身為一個(前?)理論物理學家"

So you no longer consider yourself a theoretical physicist?

I gather that you must be 牛河博士 by now.

#11 鹹濕胡迪
10/10/20 06:55

唔明但係睇晒

#12 閱讀門檻180KG
10/10/20 10:15

好耐無見

#13 六花誰守たん
10/10/20 12:03

我討厭數學

#14 牛河博士生
10/10/20 13:18

雖然很厲害,但真是看不懂

等我嘗試一用比喻簡化解釋:

有人去搵偵探投案,懷疑佢朋友殺咗人或伴侶偷食(即有人提出黑洞存在嘅假說)

咁偵探首先第一步做嘅,就係先查證所謂嘅朋友/伴侶係唔係真係存在(呢度朋友/伴侶=重力理論,存不存在=啱唔啱)

然後再下一步,就係去了解理論上有冇犯案/出軌嘅可能,例如朋友/伴侶會唔會其實係行動不便

做完簡單調查後,初步發現雖然理論上有可能

但朋友/伴侶有近完美不存在證據,只有可能係某啲特殊條件下先可能推翻,例如佢有火箭/咁啱閉唔電視短路一下

(廣義相對論早期發現嘅黑洞解=特殊情況,需完美條件)

咁好自然初步推論,一般會相信件案冇發生/冇出軌

不過偵探再深入調查後,發現另一種犯案/出軌方法

而個方法係唔需要特殊條件,打破完美不存在證據(呢度就係比喻Penrose嘅研究)

於是殺人/出軌嘅假說就變為理論上好有可能,變得更可信

不過比喻始終係比喻,呢個講解唔會100%正確描述到個picture

#15 鹹濕胡迪
10/10/20 14:40

#16 炒屎餅
10/10/20 17:07

#17 古早味貓貓
10/10/20 20:08

唔係好熟

但黑洞呢樣嘢唔係好耐之前已經證實咗?🤔

亦都透過望遠鏡觀察到

點解今日先頒獎俾佢

#18 牛河博士生
10/10/20 20:46

唔係好熟

但黑洞呢樣嘢唔係好耐之前已經證實咗?🤔

亦都透過望遠鏡觀察到

點解今日先頒獎俾佢

諾貝爾物理學獎傳統上從來都係好保守

如果涉及理論物理嘅話,基本上要好confirm,肯定理論接近完全冇機會錯先得

事實上,就算係相對論,當年愛因斯坦生前一早有唔少觀察證據支持

評審都冇因為相對論頒獎畀佢

另喺重力波同舊年黑洞照片之前嘅所謂證實

嚴格上都只係間接證據,透過觀察黑洞外圍氣體或天體嘅運動

推論出入面有一個睇唔到嘅質量大同密度高嘅天體

某程度上「唔算證實」

#19 九七淪陷
11/10/20 08:08

#20 牛河博士生
11/10/20 14:23

更新修訂書面語版

#21 古早味貓貓
12/10/20 17:03

更新修訂書面語版

巴打qualification好犀利

好想知理論物理學家點做研究?

印象中物理涉及好多數學概念

理論物理學則以實驗為主?定係都要計數?

#22 牛河博士生
12/10/20 19:04

更新修訂書面語版

巴打qualification好犀利

好想知理論物理學家點做研究?

印象中物理涉及好多數學概念

理論物理學則以實驗為主?定係都要計數?

話明理論物理學(主要指粒子物理學、重力理論、宇宙學等High energy physics範疇)

梗係主要研究理論同砌數學模型

好多時用紙同筆多(試想像從一堆冇數字嘅algebra數式同複雜integrals中,推論出模型公式)

有時或者會寫code去做simulation或運算

上面講嘅係純理論或focus理論嘅情況

咁當然理論同實驗,唔係兩個完全獨立分開嘅範疇

而係一個光譜spectrum

有淨係做純理論研究嘅,好似愛因斯坦或霍金

有專注係實驗研究,設計實驗同做數據分析為主嘅

亦有人係介乎兩者之間,計算理論模型嘅predictions同去比較實驗結果

本主題共有 22 則回覆,第 1 頁。