刚刚,诺贝尔物理学奖颁给了霍金的战友们!黑洞“吸纳”全部奖金

科学
刚刚,诺贝尔物理学奖颁给了霍金的战友们!黑洞“吸纳”全部奖金
麻省理工科技评论 2020-10-06

2020-10-06

北京时间 10 月 6 日下午,2020诺贝尔物理奖评选结果揭晓!
诺贝尔物理学奖
北京时间 10 月 6 日下午,2020诺贝尔物理奖评选结果揭晓!

由于联系获奖者而临时推迟了15分钟,北京时间 10 月 6 日下午 6 点左右,2020 诺贝尔物理学奖评选结果揭晓——诺贝尔委员会宣布,2020年诺贝尔物理学奖被分成两部分,一部分授予罗杰 · 彭罗斯( Roger Penrose),他发现黑洞的形成是广义相对论强有力的预测结果,另一部分授予莱因哈特 · 根泽尔 (Reinhard Genzel)和 安德里亚·格兹(Andrea Ghez ),他们发现了银河系中心的一个超大质量的紧密天体。

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三位诺贝尔物理学奖得主因为他们对宇宙中最奇异的现象之一——黑洞的发现而分享了今年的诺贝尔物理学奖。Roger Penrose 证明了广义相对论星云导致了黑洞的形成。Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 发现,一个不可见且极其重的物体控制着银河系中心恒星的运行轨道。超重黑洞是目前唯一已知的解释。

Roger Penrose 用巧妙的数学方法证明了黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果。爱因斯坦自己并不相信黑洞真的存在,这些超重量级怪物捕获了进入它们的一切。任何东西都逃不掉,连光都逃不掉。

1965年1月,也就是爱因斯坦去世10年后,Penrose证明了黑洞确实可以形成,并详细描述了它们:在黑洞的核心,隐藏着一个奇点,在这个奇点中,所有已知的自然法则都停止了。他那篇具有开创性的文章仍然被认为是继爱因斯坦之后对广义相对论最重要的贡献。

Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 各自领导着一个天文学家小组,从20世纪90年代早期开始,他们的研究重点是银河系中心一个叫做人马座A* 的区域。在他们的努力下,最靠近银河系中心的最亮恒星的轨道已经以越来越高的精度被绘制出来。

这两个小组的测量结果一致,都发现了一个非常重的、看不见的物体,它牵引着混乱的恒星,使它们以令人眩晕的速度奔跑。大约400万个太阳质量聚集在一个不比我们太阳系大的区域里。

“今年获奖者的发现在研究致密和超大质量天体方面开辟了新的领域。但是,这些奇异的物体仍然提出了许多问题,这些问题需要得到答案,并促进未来的研究。”诺贝尔物理学奖委员会 (Nobel Committee for Physics) 主席戴维•哈维兰 (David Haviland) 表示: “这些问题不仅包括它们的内部结构,还包括如何在黑洞附近的极端条件下验证我们的引力理论。“

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Roger Penrose

罗杰·彭罗斯是英国数学物理学家、科学哲学家。他是牛津大学数学荣誉退休教授,牛津沃德姆学院荣誉研究员,剑桥圣约翰学院荣誉研究员。彭罗斯对广义相对论和宇宙学的数学物理学做出了贡献。他获得过几个奖项,包括1988年的沃尔夫物理学奖,这是他与斯蒂芬 · 霍金共同获得的彭罗斯-霍金奇点理论。

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图 | 罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)照片,右一为彭罗斯,左一为霍金。

彭罗斯和霍金还有深厚的研究友谊。为了理解量子引力,彭罗斯在 20 世纪 60 年代提出了一个激进的想法。在彭罗斯的扭量理论中,几何中的点被扭量所取代,其实体类似于一种可拉伸的线。在这个扭量空间内,彭罗斯发现了一种可以高效描述以光速行进的场(如电磁场和引力场)的方法。但现实空间包括多种类型的不同的场,任何理论都需要够解释不同场之间的相互作用,例如电荷间的电荷力,或是在更复杂的广义相对论中由于场本身的能量所产生的引力。然而,包括广义相对论在这张照片中的相互作用已被证明是一项艰巨的任务。

霍金在世的时候,针对“霍金是爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家”的言论,就已经有人评价,即使是在剑桥,霍金也不是最伟大的,因为其搭档罗杰·彭罗斯就比他贡献大。现在,诺奖为这一评价做了最好的注脚。

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Reinhard Genzel

莱因哈德·根泽尔研究红外和亚毫米波射电天文学,他和他的团队积极开发用于天文学研究的一线地面和空基仪器。他和他的小组第一个在银河系中心追踪恒星运动的星团(人马座A*),并表明它们正在绕着非常大的物体运行,可能是黑洞。Genzel 还活跃在关于银河系的形成和演化的研究中。

2018 年 7 月,Reinhard Genzel 等人报告,S2(恒星)轨道人马座A* 的记录速度为 7650km/s(光速的 2.55%),导致 2018 年 5 月以约 120AU 的速度进入拱点 ≈ 人马座A* 的 1400 史瓦西半径。这使他们能够从相对论速度的可辨别红移中确认了广义相对论。

Genzel出生于德国,先后在弗莱堡大学和波恩大学研究物理学,并于1978年在波恩大学获得博士学位,同年于马普-射电天文学所通过了有关“宇宙射线”研究的博士答辩。

之后,Genzel博士远赴美国“哈佛-史密松森天体物理中心”研究天体物理,并于1980-1982年期间获得Miller Fellow称号。1981年,Genzel博士任教于加州大学伯克利分校。1986年,Genzel博士返回德国,成为马普所的科学研究团队的一员,并担任马普-宇宙物理研究所主任。1988年,他成为荣誉客座教授并任教于德国慕尼黑大学。1999年开始,他成为加州大学伯克利分校的客座教授。

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Andrea Ghez.

安德里亚·格兹(Andrea Ghez)是美国天文学家,也是加州大学洛杉矶分校物理与天文学系的教授。2004年,《发现》杂志将盖兹(Ghez)列为美国20大科学家之一,这些科学家在各自领域表现出很高的理解力。2020年,她与莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)一起获得了诺贝尔物理学奖的一半,因为她在银河系中心发现了一个超大质量的黑洞。

1965年6月16日,格兹出生于美国纽约市,她从大学毕业时就读数学专业,但后来改为物理。她在1987年从麻省理工学院获得物理学士学位,1992年在加州理工学院由格里·纽格鲍尔(Gerry Neugebauer)指导获得博士学位。

2004年,格兹当选为美国国家科学院院士,2019年,当选为美国物理学会(APS)院士。

她目前的研究涉及到使用高空间分辨率成像技术,如自适应光学凯克望远镜,以研究恒星形成区和位于银河系中心被称为人马座A* 的黑洞。通过在红外波长对银河系中心成像,盖兹和她的同事们能够窥视阻挡可见光的重尘,并产生银河系中心的图像。

2012年10月,她的研究小组在加州大学洛杉矶分校(SLA)确认了第二颗恒星,环绕在银河中心运行。根据开普勒定律,格兹的团队利用轨道运动证明Sgr A *的质量为4.1±0.6百万太阳质量。因为Sgr A *比下一个最近的已知超大质量黑洞M31 *(位于M31的中心)近一百倍,所以它现在是超大质量黑洞的最佳例证之一。

1901 年 ~ 2019 年最受欢迎的诺贝尔物理奖得主

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阿尔伯特·爱因斯坦

(Albert Einstein)

生于:1879 年 3 月 14 日,德国乌尔姆

卒于:1955 年 4 月 18 日,美国新泽西州普林斯顿

获奖时的工作地:凯撒-威尔海姆研究所物理研究院(现马克斯普朗克研究所),德国柏林

获奖评语:表彰他“对理论物理学做出的贡献,尤其是光电效应定律的发现”

研究领域:理论物理

获奖情况:单独获奖

作为一名传奇科学家,阿尔伯特∙爱因斯坦只获得过 1921 年诺贝尔物理学奖,获奖原因或许也是他众多理论中,相对“最小”的一个。而诸如他在时空、引力理论等方面的成就,在当时,甚至即便在如今都显得“过于超前”,这可能也是诺贝尔奖只就“解释光电效应”给他颁奖的原因吧。

爱因斯坦在慕尼黑长大,在那里他的父亲成立了一家电机工程公司。从苏黎世联邦理工学院毕业后,爱因斯坦进入了伯尔尼专利局工作,在此期间他发表了一系列在物理学领域具有前瞻性的文章。

科学成就:当时科学家发现,当金属电极暴露于光线下时有助于金属电极间产生电火花。要产生这种“光电效应”,光必须高于某特定频率。然而,根据当时的物理理论,光的强度才是重要因素。1905 年,爱因斯坦发表了几篇划时代的论文,在其中一篇中,爱因斯坦提出光由光量子组成——光量子的能量与其所组成的光的频率有关。只有当一个光量子的频率达到一定阈值时才能激发一个电子。

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尼尔斯·亨里克·达维德·玻尔

(Niels Henrik David Bohr)

生于:1885 年 10 月 7 日,丹麦哥本哈根

卒于:1962 年 11 月 18 日,丹麦哥本哈根

获奖时的工作地:哥本哈根大学,丹麦

获奖评语:表彰他“对原子结构以及从原子发射出的辐射的研究”

研究领域:理论核物理

获奖情况:单独获奖

科学成就:19 世纪末出现了关于电子和辐射的一系列研究,科学家们建立了不同的原子结构模型。1913 年,波尔根据量子理论提出了氢原子的结构模型,他认为,原子能量如果要发生改变,只能在不同定态间以跃迁的方式进行。电子会按照特定轨道围绕原子核运动。当电子跃迁到低能级轨道时,就会激发出光子。波尔的理论解释了为什么原子只有在特定波长照射下才能发射光子。

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玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里

(Marie Curie, née Sklodowska)

生于:1867 年 11 月 7 日,俄罗斯帝国(现波兰)华沙

卒于:1934 年 7 月 4 日,法国萨朗什

获奖评语:以表彰他们“研究贝克勒尔发现的电离辐射现象时的非凡工作”

研究领域:核物理

获奖情况:与其他二人共同获奖

玛丽∙斯克沃多夫斯卡出生于波兰华沙一个非常注重教育的教师之家。为了继续她的学业,她移居法国并在那里遇到了皮埃尔∙居里。后来他成为了她的丈夫,也成为了她在放射领域中的研究伙伴。居里夫妇于 1903 年共同获得了诺贝尔物理学奖。不幸的是,居里夫人在 1906 年失去了她的丈夫,但她没有停下他们的研究工作,并再次获得诺贝尔奖。

科学成就:1903 年获奖:受 1896 年贝克勒尔发现的电离辐射现象的激励,玛丽和皮埃尔决定进一步研究这一现象。他们为了获得放射信号,对很多物质和元素进行了实验。他们发现沥青铀矿比纯铀的放射性更强,因此其中应该含有其他放射性物质。从沥青铀矿中他们提取出了两种以前未知的元素:钋和镭,它们的放射性都强于铀。

1911 年获奖:在居里夫妇首次发现放射性元素钋和镭以后,居里夫人对他们的性质做了更深入的研究。1910 年她成功地分离出镭,从而证明了镭的存在,从此再无质疑之声。她还对了镭及其化合物的性质做了报道。放射性物质作为放射源,在科学实验领域和癌症治疗中变得越来越重要。

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詹姆斯·查德威克

(James Chadwick)

生于:1891 年 10 月 20 日,英国曼彻斯特

卒于:1974 年 7 月 24 日,英国剑桥

获奖时的工作地:利物浦大学,英国

获奖评语:表彰他“发现了中子”

研究领域:核物理

获奖情况:单独获奖

科学成就:1930 年当海波特·贝克和瓦尔特·博特用阿尔法粒子(氦原子核)轰击铍核时,观察到了高能的穿透性的辐射现象。当时一个假说认为这是一个具有高能量的电磁辐射。然而 1932 年,詹姆斯·查德威克证明阿尔法粒子中含有一个和质子质量相当的中性粒子。更早时期,欧内斯特·卢瑟福也认为这种粒子的存在,这种粒子就是现在已经被证实的中子。

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约瑟夫·约翰·汤姆森

(Joseph John Thomson)

生于:1856 年 12 月 18 日,英国曼彻斯特附近的奇塔姆山

卒于:1940 年 8 月 30 日,英国剑桥

获奖时的工作地:剑桥大学,英国

获奖评语:表彰他“在电子导电方面的理论和实验研究”

研究领域:原子物理

获奖情况:单独获奖

科学成就:1830 年首次出现了一种观点,认为电是通过原子中存在的微粒进行传导。1890 年,约瑟夫·汤姆森爵士利用气体环境下带电粒子成功测定了电子质量。1897 年,他证明了阴极射线(将两片金属电极置于低压气体环境的玻璃管中,其上加载电压,就有射线产生)含有电子,从而能够导电。他同时指出电子是原子的一部分。

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埃尔温·薛定谔

(Erwin Schrödinger)

生于:1887 年 8 月 12 日,奥地利维也纳

卒于:1961 年 1 月 4 日,奥地利维也纳

获奖时的工作地:柏林大学,德国

获奖评语:表彰他“在原子理论中很有用的新形式的发现”

研究领域:量子力学

获奖情况:与另一人共同获奖

科学成就:在波尔的原子理论中,当电子从一个原子轨道跃迁到另一轨道时,就会吸收或发射特定波长的光。这一理论能够很好地描述氢原子的光谱特征。但是要想描述更复杂的原子和分子,则需要进行修正。以物质(比如电子)同时具有波动性和粒子性为前提,1926 年薛定谔给出了著名的薛定谔方程,从而能够正确描述波函数的量子行为。这也是大家熟悉的“薛定谔的猫”的来源。

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罗伯特·安德鲁·密立根

(Robert Andrews Millikan)

生于:1868 年 3 月 22 日,美国伊利诺伊州莫里森

卒于:1953 年 12 月 19 日,美国加利福尼亚州圣马利诺

获奖时的工作地:加利福尼亚理工学院,帕萨迪纳,美国加州

获奖评语:表彰他“在基本电荷和光电效应中做的工作”

研究领域:电磁效应,粒子物理

获奖情况:单独获奖

科学成就:19 世纪 90 年代,电子理论的传播使得电子的概念被大家接受。1910 年密立根成功地精确证明了电荷量的值。他通过平衡重力与电场力,将油滴悬浮于两片金属电极之间。通过对许多油滴进行实验后,密立根证明了它们的电荷总是一个确定值的倍数,因此认定这个确定值就是电荷值。

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维尔纳·卡尔·海森堡

(Werner Karl Heisenberg)

生于:1901 年 12 月 5 日,德国维尔茨堡

卒于:1976 年 2 月 1 日,德国慕尼黑

获奖时的工作地:莱比锡大学,德国

获奖评语:表彰他“创立了量子力学以及由此促进的氢的同素异形体的发现”

研究领域:量子物理

获奖情况:单独获奖

科学成就:在波尔的原子理论中,当电子在原子核的轨道间发生跃迁时就会吸收或者放出特定波长的能量。这一理论很好地描述了氢原子的光谱。但是要描述更复杂的原子和分子,则需要做出修订。

1925 年,维尔纳·海森堡基于矩阵法给出了一种量子模型。1927 年,他提出了“不确定性原理”,即一个运动粒子的位置和速度不能被同时确定。

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威廉·康拉德·伦琴

(Wilhelm Conrad Röntgen)

生于:1845 年 3 月 27 日,普鲁士伦内普(现德国雷姆沙伊德)

卒于:1923 年 2 月 10 日,德国慕尼黑

获奖时的工作地:慕尼黑大学,德国

获奖评语:表彰其“发现了具有非凡意义的射线并在其中做出了杰出工作,这种新射线定名为伦琴射线”

研究领域:原子物理,X射线

获奖情况:单独获奖

伦琴生于德国伦内普,长于荷兰。他于苏黎世联邦理工学院毕业并在那里得到了物理学博士学位。为了继续他的研究,伦琴先后在斯特拉斯堡、吉森、维尔茨堡的大学工作。在维尔茨堡,他获得了诺贝尔奖,这也是首届的诺贝尔物理学奖。1900 年,伦琴到了慕尼黑大学并在那里度过了他的余生。

值得一提的是,尽管 X 射线为他带来了诺贝尔奖,但他把奖金全部捐给了维尔茨堡大学,也放弃了其专利权,最终在贫困中死于癌症。

科学成就:1895 年,伦琴把电极加载到两个置于真空玻璃管中的金属片上,用于研究阴极辐射。虽然装置被覆盖住,他还是观察到当光敏板靠近时,其上有微弱的光出现。通过进一步试验,他证实了该现象是一种尚未为人所知的具有穿透性的射线产生的。后来 X 射线成为了物理研究和人体检查中的有力工具。

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马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克

(Max Karl Ernst Ludwig Planck)

生于:1858 年 4 月 23 日,石勒苏益格基尔(现属德国)

卒于:1947 年 10 月 4 日,德国哥廷根

获奖时的工作地:柏林大学,德国

获奖理由:表彰他“因发现能量量子而对物理学的发展做出杰出贡献”

研究领域:量子力学

获奖情况:单独获奖

科学成就:当一个黑体被加热时,照射到黑体表面的电磁辐射就会被黑体吸收并转化为热辐射,其光谱特征仅与黑体温度有关而与其材质无关。然而用当时已知的物理定律计算热辐射会得出无意义的结果:在高频区的热辐射能量会趋于无穷大。马克斯∙普朗克在 1900 年通过引入量子这一理论解决了这个问题。也即,任一振子的辐射能量大小跟一个常量有关,后人将这个常量命名为普朗克常数。

该榜单来自诺贝尔奖官网:http://www.nobelprize.org

关于诺贝尔物理学奖的“幕后故事”

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1895 年 11 月 27 日,诺贝尔在其遗嘱中写道,诺贝尔物理学奖应颁发给“在物理学界做出了最杰出发明或发现的人”。接下来,就让我们了解一下从 1901 年到 2019 年关于诺贝尔物理学奖的“幕后故事”。

◆ 诺贝尔物理学奖的数量

从 1901 年至今,共颁发了 113 个诺贝尔物理学奖。其中,由于战争原因有六年没有颁发,分别是 1916,1931,1934,1940,1941 和 1942 年。

独享和共享的诺贝尔物理学奖:

47 次由一位获奖者独享;

32 次由两位获奖者共享;

34 次由三位获奖者共享。

为什么会出现这样的情况?我们可以在诺贝尔委员会章程中找到答案:“若有两个被提名者的工作都同样出色难分伯仲,那奖金就可以由他俩平分。如果获奖成果是由两到三人共同完成的,那奖金就应授予项目共同完成人。但诺奖不能由超过三个人共享。”

◆ 诺贝尔物理学奖得奖人数

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图丨1956、1972年诺贝尔物理学奖得主约翰∙巴丁

1901~2019 年间,诺贝尔物理学奖共授予了 213 人次。其中约翰∙巴丁(John Bardeen)是唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的人,因此实际上有 212 人获得过诺贝尔物理学奖。

◆ 最年轻的物理学奖获得者

迄今为止,最年轻的诺贝尔物理学奖获得者是当时年仅 25 岁的劳伦斯∙布拉格(Lawrence Bragg)。他于 1915 年和他的父亲一同获得该奖项。

◆ 女性获奖者

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图丨1963 年诺贝尔物理学奖得主玛丽亚·格佩特·梅耶

在所有获奖者中,仅有三名为女性,她们是:

1903 年的物理奖得主玛丽·居里(Marie Curie )(大名鼎鼎的居里夫人,她还于 1911 年获得了诺贝尔化学奖),1963 年的物理奖得主玛丽亚·格佩特·梅耶(Maria Goeppert-Mayer ),以及 2018 年的物理奖得主唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)。

◆ 全家一起“牛”的获奖者

夫妻&子女档:

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图丨居里一家

玛丽·居里和丈夫皮埃尔·居里(Marie Curie and Pierre Curie)于1903年共同获得物理学奖。玛丽∙居里于1911年再次获得诺贝尔化学奖。

而且,他们的大女儿伊雷娜·约里奥-居里(IrèneJ oliot-Curie ),及其丈夫弗雷德里克·约里奥( Frédéric Joliot)获得1935年的诺贝尔化学奖。

获得物理学奖的父子档:

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布拉格父子:威廉·亨利·布拉格(William Bragg)与威廉·劳伦斯·布拉格(Lawrence Bragg)于 1915 年获奖;

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玻尔父子:尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)与奥格·玻尔(AageN. Bohr)分别于1922 年和 1975 年获奖;

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西格巴恩父子:曼内·西格巴恩(Manne Siegbahn)与凯·西格巴恩(Kai M.Siegbahn)分别于 1924 年和 1981 年获奖;

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汤姆森父子:约瑟夫·汤姆森(J. J. Thomson)与乔治·佩吉特汤姆森(George Paget Thomson)分别于 1906 年和 1937 年获奖。

◆ 上届诺贝尔物理奖得主

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詹姆斯·皮布尔斯
(James Peebles)
出生:1935年4月25日,加拿大温尼伯
获奖时所属机构:普林斯顿大学
获奖原因:“对于物理宇宙学的理论发现”。
奖金份额:1/2

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米歇尔·马约尔
(Michel Mayor)
出生:1942年1月12日,瑞士洛桑
获奖时所属机构:瑞士日内瓦大学
获奖原因:“发现围绕太阳型恒星运行的系外行星。”
奖金份额:1/4

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迪迪埃·奎洛兹

(Didier Queloz)

出生:1966年2月23日,瑞士日内瓦

获奖时所属机构:英国剑桥大学和瑞士日内瓦大学

获奖原因:“发现围绕太阳型恒星运行的系外行星。”

奖金份额:1/4

◆ 物理学奖金质奖章

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物理学奖章由瑞典雕刻家埃里克∙林德贝格(Erik Lindberg)设计,其上刻绘着一幅美丽的场景:女神伊希斯从云中浮现,手中握着象征丰饶的羊角,一位科学天才正轻轻揭开女神的面纱,露出了她冷峻的面容。

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