2020年诺贝尔物理学奖，终于颁给了黑洞研究
原创 ◎ 科技日报记者 陆成宽

让人意外的是，刚刚揭晓的2020年诺贝尔物理学奖，又一次颁发给天体物理学。这是近四年来，第三次颁给天体物理学。

然而，在天文学家看来，黑洞研究获诺奖却是众望所归，大家已经期待了几十年。“因为无论作为广义相对论的一个最主要预言，还是作为天体物理领域的最重要进展，黑洞研究确实应该获得诺奖了。”中国科学院高能物理研究所研究员张双南告诉科技日报记者。

对黑洞理论的贡献，霍金也不如他

“这三位科学家获奖是非常合适的。在黑洞研究领域，在世的科学家里面确实没有人能超过他们。”张双南说。

今年诺贝尔物理学奖的一半颁发给了英国牛津大学的罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）。他是一位数学物理学家。他用数学方法证明了爱因斯坦的广义相对论可以预测黑洞的形成。“在黑洞研究领域，虽然霍金也许和他有得一比，但是从对黑洞理论贡献的深度和广度来讲，可能霍金也不如他。”张双南说。

科学界普遍认为，黑洞是宇宙中最神秘的天体，几乎所有质量都集中在最中心的奇点处。黑洞的基本特征是具有一个封闭的边界，称为视界。外界的物质和辐射可以进入视界，而视界内的一切却都无法逃逸出来。

长期以来，黑洞都受到公众广泛关注。黑洞是广义相对论的一个预言，如果黑洞存在，从某种程度上就证实了广义相对论正确性，也就说明我们对时空的理解是正确的。

“虽然罗杰·彭罗斯不是最早预言黑洞存在的人，但是他却是第一个从理论上证明黑洞稳定存在的人，物理学奖颁发给他可谓实至名归。”中国科学院国家天文台研究员陆由俊说。

“对大家来说，以前黑洞一直是个猜想，正是罗杰·彭罗斯从理论的角度证明了它的存在。毫无疑问，他在这个领域做出了一些开创性的工作。”中国科学院国家天文台研究员苟利军说。

除了在理论上证明黑洞存在，罗杰·彭罗斯还和霍金一起证明了奇点定理。该定理认为，宇宙起源于一个时间和空间消失、物质密度无限大的奇点。

几十年磨一剑，精确测量银心黑洞

诺贝尔物理学奖的另一半颁发给了德国科学家赖因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德里亚·盖兹（Andrea Ghez）。

30余年来，两位科学家及其团队一直致力于银河系中心黑洞周围恒星运动的观测，他们观测到离黑洞比较近的恒星，都以准开普勒轨道绕该黑洞运动，就像我们太阳系的行星围绕太阳转一样。它们的轨道表明，银河系中心一定有一个大约400万个太阳质量的黑洞存在，这是一个非常精准的测量，测量的难度非常大。

赖因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹从天文观测的角度证实了黑洞的存在。“安德里亚·盖兹利用美国的凯克望远镜，对黑洞周围的恒星进行了很精确的测量。”苟利军介绍。

“他们利用世界上最先进的天文望远镜进行银河系中心进行观测，得到的证据大家都非常信服。我几乎在我每一个关于黑洞的科普报告里面，都用他们的结果来说明黑洞的存在。”张双南说。

今年年初，安德里亚·盖兹还在《自然》杂志上发文称，在银河系中心发现了一类新的奇异天体。这些天体看起来像气体，但行为又像恒星。这些天体大部分时间看起来都很紧凑，但当靠近黑洞的时候，它们就会向外伸展开来。

“赖因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹长期坚持用最好的仪器做最精准观测，在引力波发现之前，他们的观测结果是证明黑洞存在的最好证据。”陆由俊说。

在学术会议上，我国科学家经常可以见到赖因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹。张双南说：“我在学术会议上经常可以见到他们，他们几十年磨一剑，致力于银河系中心黑洞的观测。”“让人敬佩的是，他们几十年如一日地坚持做一件事情，他们为了证明银河系中心存在黑洞，花费了几十年的时间，这是非常不容易的。”陆由俊感慨道。


黑洞和银河系“最黑暗”的秘密，你了解多少？
（来源：科技日报 今天◎ 科技日报记者 张梦然 实习记者 余昊原）
中国管理科学研究院科技管理研究所网官方帐号

2020年，三位科学家因发现了宇宙中最奇特的现象之一——黑洞而获得了今年的诺贝尔物理学奖。

罗杰·彭罗斯（Roger· Penrose）的研究表明，相对论理论有力预测了黑洞的形成；赖因哈德·根泽尔（Reinhard·Genzel）和安德里亚·盖兹（Andrea·Ghez）则发现，一个隐形且极重的物体，控制着我们银河系中心恒星的轨道，而超大质量黑洞则是目前唯一已知的解释。

所有已知规律均在其中失效

一个超重的怪物，会捕获进入其“狩猎范围”的所有物体，没有什么可以逃脱，甚至光也不行，这就是黑洞。在许多文学形式中，黑洞一词都有了其更深的含义，但对于物理学家，黑洞始终是巨型恒星自然耗尽死亡后的产物。

爱因斯坦1915年发表了广义相对论，颠覆了之前所有有关时空的概念，引力塑造了宇宙的最大范围，而相对论为理解引力提供了一个全新的基础。20世纪30年代末，物理学家罗伯特·奥本海默计算出了一颗大质量恒星的剧烈坍塌。（奥本海默后来领导了“曼哈顿计划”，该计划成功制造了首颗原子弹）。当质量为许多倍的大质量恒星耗尽燃料时，它们首先爆炸成超新星，然后坍缩成密度极高的残骸，其引力之大能将一切都拉进内部。

但这些，一直被认为是纯粹的理论推测，直到罗杰·彭罗斯，首先成功地为所有坍缩物质找到了一个现实的解，其利用巧妙的数学方法表明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接预测结果，尽管爱因斯坦本人并不相信黑洞确实存在。

在爱因斯坦去世十年后的1965年1月，罗杰·彭罗斯证明了黑洞确实可以形成并对其进行了详细描述，黑洞隐藏着不能被人理解的奇异之处，所有已知的自然规律在其中都失效了。自爱因斯坦以来，罗杰·彭罗斯的开创性论文，被视为对广义相对论的最重要贡献。

图说：光锥展示光线在时间上向前和向后的路径。当物质坍缩并形成黑洞时，穿过黑洞事件视界的光锥将向内转向奇点。

答案只有一个：超大质量黑洞

赖因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹各自领导着一组天文学家，自1990年代初以来，他们一直专注于银河系中心的一个区域。

随着精确度的提高，他们成功绘制了离银河系中心最近的最亮恒星的轨道。这两组测量结果都发现：有一种看不见、却非常重的物体，使得这些恒星在其周围以惊人的速度旋转。

赖因哈德·根泽尔得知自己获得了诺贝尔物理学奖。

这个看不见的物质，在不超过我们太阳系的范围里，竟然有400万个太阳质量那么重。这是什么？根据当前的引力理论，可能的解释只有一个——超大质量黑洞。

赖因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹使用世界上最大的望远镜，开发出了方法，可以通过巨型星际气体和尘埃云看到银河系的中心。他们扩展了技术极限，完善了新技术，补偿了地球大气层造成的扭曲，制造出的独特仪器可被用于长期研究。他们的开创性工作，为我们提供了迄今为止最令人信服的证据，表明银河系中心有一个超大质量的黑洞。

如果有什么是永恒的？那就是未知

罗杰·彭罗斯的研究告诉我们，黑洞是广义相对论的直接结果，但在无限大的奇异性引力中，该理论不再适用。科学家正在理论物理学领域中进行大量工作，以创建新的量子引力理论。这必须将物理学的两个支柱——相对论和量子力学——二者结合在一起，而它们，将在黑洞的极端内部相遇。

同时，赖因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹开创性工作为广义相对论及其预测进行了精确检验，很可能还将为新的理论见解提供线索。

无论如何，宇宙还有许多秘密和惊喜尚待发现。

“不仅是关于它们的内部结构的问题，而且还有关于如何在黑洞紧邻的极端条件下，测试我们的引力理论的问题。”诺贝尔物理学委员会主席戴维·哈维兰德（David Haviland）表示。他认为，正是今年获奖者的发现，为研究紧凑和超大质量天体开辟了新天地，但是这些奇特的物体仍然向人类提出许多问题，激发着人们通过未来的研究给出答案。