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「黑洞」赢了，霍金的战友们捧回了今年的诺贝尔物理学奖

晰数塔互联网快讯
2020-10-07 10:09

编者按：本文来自微信公众号“极客公园”（ID:geekpark），作者：沈知涵，36氪经授权发布。

四年三中，你有你的选择，而诺贝尔物理学奖选择天体物理学。

10 月 6 日，2020 年诺贝尔物理学奖揭晓，罗杰·彭罗斯（Roger Penrose），莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和安德里亚·格兹（Andrea Ghez）摘得此项荣誉，罗杰·彭罗斯「独享」一半的奖金。他们的科研成果都与「宇宙最黑暗的秘密」——黑洞相关。

罗杰·彭罗斯用数学方法证明了黑洞是广义相对论的直接结果。莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹两人各自都在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体。值得一提的是，格兹是有史以来第四位获得诺贝尔物理学奖的女性。

不少关注诺奖的专家学者发现物理学奖的获奖领域越来越集中在天体物理学、粒子物理学、原子分子及光物理学和凝聚态物理学。从 2015-2019 年，获奖的领域分别是粒子物理学、凝聚态物理学、天体物理学、原子分子及光物理学和天体物理学。从「规律」来看，大多数人认为今年奖项「又双叒」颁给天体物理学有些意外。

北京时间 2019 年 4 月 10 日，人类首张黑洞照片面世，这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据，证实了爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系 M87 的中心，距离地球 5500 万光年，质量约为太阳的 65 亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。

18 世纪末，英国哲学家、数学家约翰 · 米歇尔论断存在比太阳更大质量的天体，连光速都不足以逃离它们的引力，所以人类无法预测到它。1916 年，爱因斯坦发表了广义相对论。德国天文学家和物理学家卡尔·施瓦茨席尔德提出了爱因斯坦引力场方程的第一个严格解，推算出了施瓦茨席尔德半径，即物体坍缩成黑洞的阈限值。

直到 20 世纪 60 年代，这些解都被认为是纯粹的理论推测，即恒星和黑洞呈正球体和完全对称的理想状态。然而爱因斯坦本人并不相信黑洞的存在。

1965 年，在爱因斯坦去世 10 年之后，彭罗斯证明，只要时空中存在二维的俘获面（trapped surface），奇点就不可避免地形成，一个俘获面会迫使所有光线指向一个中心，不管表面是向外还是向内弯曲。利用俘获面，彭罗斯证明黑洞总是隐藏着一个奇点，即一个时间和空间的边界，也就是说在那里，所有已知的自然法则都停止了。一旦物质开始坍缩并形成俘获面，坍缩就再也没有可能停止。

不少学者认为，彭罗斯的开创性论文是爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献。1970 年，霍金和彭罗斯共同发表论文提出，如果广义相对论（以及其他几个数学条件）是正确的, 那么在宇宙大爆炸必然是从一个奇点开始的。

尽管看不到黑洞内部，但是我们可以观察到黑洞巨大的引力如何牵引着周围恒星运动。根泽尔和格兹的功劳就在于此。

一百年前，美国天文学家 Harlow Shapley 确定了银河系的中心——人马座的方向。天文学家发现那里有强大的无线电波，他们将源头称为「人马座 A*」。等到二十世纪六十年代末，人们明确发现人马座 A * 占据了银河系中心，银河系内的所有恒星都围绕其运行。

但一直到二十世纪九十年代，我们才有了更大的望远镜和更好的设备，可以对人马座 A * 进行更为系统的研究。根泽尔和格兹分别启动了各自的项目，试图透过厚厚的尘埃云观察银河系的中心。两个的研究团队开发和完善各自的技术，构建特殊的仪器致力于长期的研究。

学者发现恒星在中心到一个光月的半径距离内移动地最快，此区域外的恒星呈现更为有序的椭圆运动。一颗名为 S2 的恒星在不到 16 年的时间内就转了一圈，而太阳要花 2 亿多年。两组的观测走向一致，在银河系中心隐藏着一个看不见的超大质量物体，在不超过太阳系的空间中聚集了约 400 万个太阳的质量，使周边恒星急速旋转。黑洞是唯一可能的解释。

彭罗斯指出黑洞是广义相对论的直接结果，但在奇点的无限强引力下，这个理论就不再适用了。未来理论物理学领域必须把物理学的两大支柱——相对论和量子力学结合在一起，而这两者正好在黑洞的最深处交汇。

用一句简单的话解释，三位获奖者分别在理论和实践层面让我们对黑洞有了更加深入的认知。2020 年当世界都在被新冠疫情「肆虐」，颁奖现场有位记者提出了一个非常「应景」的问题，这些发现如何改变地球上人类的生活？格兹说道，这是一个非常宏观的研究，你也不知道对人类世界会有什么影响，但是这是人类知识的进步，对我们理解物质世界和宇宙的建立有重要意义。