北京時間10月6日晚間，2020年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯（Roger Penrose），表彰他對“發(fā)現(xiàn)黑洞形成是廣義相對論的有力預(yù)測”，以及根澤爾（Reinhard Genzel）和蓋茲（Andrea Ghez），表彰他們“發(fā)現(xiàn)銀河系中心有一個超大質(zhì)量致密天體”（大約為400萬太陽質(zhì)量的黑洞）。由于去年諾貝爾物理學(xué)獎獎給了宇宙學(xué)和地外行星探測，而近年來物理獎從未連續(xù)發(fā)給同一領(lǐng)域，所以今年頒給黑洞讓人十分意外。
左起：彭羅斯（Roger Penrose）、根澤爾（Reinhard Genzel）和蓋茲（Andrea Ghez）羅杰·彭羅斯的工作表明，廣義相對論預(yù)言了黑洞的形成。萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲則發(fā)現(xiàn)，銀河系中心有一個不可見的、質(zhì)量極大的致密物體控制著恒星的軌道。超大質(zhì)量黑洞是目前唯一已知的合理物理解釋。
羅杰·彭羅斯（Roger Penrose），1931年出生于英國科爾切斯特。1957年畢業(yè)于英國劍橋大學(xué)。英國牛津大學(xué)教授。
萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel），1952年生于德國的巴特洪堡。1978年在德國波恩大學(xué)博士學(xué)位。德國馬普地外物理研究所所長，美國加州大學(xué)伯克利分校教授。
安德里亞·蓋茲，1965年出生于美國紐約市。1992年從美國加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。美國加州大學(xué)洛杉磯分校教授。
羅杰·彭羅斯使用了巧妙的數(shù)學(xué)方法證明，黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結(jié)果。不過愛因斯坦本人并不相信黑洞真的存在。黑洞是宇宙中質(zhì)量巨大的怪物，會捕獲落入其半徑內(nèi)的所有物質(zhì)，沒有東西可以逃脫黑洞的引力束縛，即便是光。
卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）于1915年找到了愛因斯坦方程的一個球?qū)ΨQ奇異解，今天稱之為黑洞解。該文章于1916年1月發(fā)表，只比愛因斯坦的廣義相對論文章晚一個多月。這是除了平凡的平直空間解之外的愛因斯坦場方程的第一個精確解。這個解對應(yīng)于一個沒有旋轉(zhuǎn)且不帶電荷的黑洞。史瓦西在的論文發(fā)表后不久就去世，死于他在一戰(zhàn)期間在德國軍隊服役期間染上了疾病。年輕的荷蘭物理學(xué)家約翰內(nèi)斯·德羅斯特（Johannes Droste）在1916年使用更簡單、更直接的推導(dǎo)，獨(dú)立地找到了與史瓦西相同的解。這兩個工作告訴我們愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言了黑洞的存在。直到1963年，29歲的新西蘭數(shù)學(xué)物理學(xué)家Roy Patrick Kerr進(jìn)一步從廣義相對論中推導(dǎo)出軸對稱的旋轉(zhuǎn)黑洞解。幾十年來的天文觀測，人們基于不同的模型采用不同的觀測方法在宇宙時空中由遠(yuǎn)及近推測出眾多大大小小的黑洞候選體，為它們分門別類，并探究它們可能的物理起源和形成途徑。在廣義相對論的早期，人們對史瓦西解中發(fā)現(xiàn)的奇異性的性質(zhì)感到困惑。在史瓦西的原始論文中，他將我們現(xiàn)在所說的事件視界放在他的坐標(biāo)系的原點(diǎn)上。第二年，大衛(wèi)·希爾伯特（David Hilbert）對奇異性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更完整的分析，確定了r = 0和r= rs（這對應(yīng)于事件視界）時的奇異性。盡管人們普遍認(rèn)為r = 0時的奇點(diǎn)是“真正的”物理奇點(diǎn)，但仍不清楚r = rs時的奇點(diǎn)性質(zhì)，尤其是在結(jié)合量子場論的情況下?；艚鸬暮诙凑舭l(fā)就是在事件視界附近發(fā)生的。為了紀(jì)念史瓦西，rs被稱作史瓦西半徑，對應(yīng)于黑洞的大小。
圖1：黑洞的形成
萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲通過探測恒星環(huán)繞中心黑洞的周期來推斷中心黑洞的質(zhì)量。他們各自領(lǐng)導(dǎo)了一個天文學(xué)家小組，從上世紀(jì)90年代初開始，他們就致力于研究銀河系中心一個名為人馬座A*的區(qū)域。距離銀河系中心最近、最亮的那些恒星的軌道被越來越精確地繪制出來。兩個研究小組的測量結(jié)果一致，他們都發(fā)現(xiàn)有一個質(zhì)量非常大的不可見物體，它牽引著這一團(tuán)恒星，使它們以令人眩暈的速度四處亂竄。在一個不比我們的太陽系更大的區(qū)域里，聚集著大約400萬個太陽質(zhì)量的物質(zhì)。
圖2：銀河系、太陽系和銀河系中心的人馬座A*
利用世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，根澤爾和蓋茲開發(fā)出了新的方法，可以穿透星際氣體和塵埃組成的巨大云團(tuán)，看到銀河系的中心。他們突破了技術(shù)的局限，改進(jìn)了新技術(shù)來彌補(bǔ)地球大氣造成的觀測誤差，建造了獨(dú)特的儀器并致力于長期研究。他們的開創(chuàng)性工作為我們提供了迄今為止最為令人信服的證據(jù)，證明銀河系中心存在一顆超大質(zhì)量黑洞。
圖3：恒星的軌跡揭示出，銀河系中心的有一個質(zhì)量非常大的不可見物體控制著它們的軌跡。諾貝爾物理學(xué)獎委員會主席David Haviland說：
“今年獲獎?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)為致密的超大質(zhì)量物體的研究開辟了新的領(lǐng)域。但是這些奇異的物體提出了更多問題需要解答，并激勵著未來的研究。不僅是關(guān)于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題，還有如何在黑洞附近的極端條件下檢驗我們的引力理論的問題?！?/span>眾所周知，羅杰·彭羅斯在數(shù)學(xué)物理上有極高的造詣。中國科學(xué)院物理研究所曹則賢研究員向《返樸》表示，彭羅斯是一個大神級的人物，他是一個數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和哲學(xué)家。彭羅斯的成就是全面的，而且著述頗豐，其名篇包括《皇帝的新腦》《通向?qū)嵲谥贰返鹊?。我在德國讀博士的時候，大學(xué)圖書館里所有的彭羅斯的書都被人偷走了?！锻ㄏ?qū)嵲谥贰肥菙?shù)學(xué)、物理和哲學(xué)的集大成，歷史上可與之比擬的書少有。“彭羅斯的成就很多，除了數(shù)學(xué)以及今年獲獎的工作，另一個耀眼的工作是彭羅斯鋪排。1974年，彭羅斯用風(fēng)箏和飛鏢兩種單元，給出了具有五次轉(zhuǎn)動對稱性的平面鋪排方案。我個人認(rèn)為，這為準(zhǔn)晶概念的接受提供了學(xué)術(shù)心理基礎(chǔ)。Schechtman因為準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)獲得了2011年度諾貝爾化學(xué)獎?！辈軇t賢說，“彭羅斯是我心目中的大神。他是集數(shù)學(xué)、物理與哲學(xué)成就于一身的真正的科學(xué)家。”經(jīng)典巨著《通向?qū)嵲谥贰?/span>
國家天文臺研究員茍利軍表示，之所以會發(fā)給今年的三位獲獎人，是因為彭羅斯最早跟霍金合作在理論上確認(rèn)了黑洞中心存在奇點(diǎn)。后來根澤爾團(tuán)隊最早觀測到了黑洞的存在，而蓋茲精確測量到了銀河系中心存在400萬倍太陽質(zhì)量的黑洞。這三位獲獎人的工作是奠基性的，可以說，諾獎頒給他們體現(xiàn)了諾貝爾獎對最原創(chuàng)工作的重視。此外，茍利軍認(rèn)為，如果霍金還活著，也有可能獲此殊榮。國家天文臺研究員陳學(xué)雷表示很意外也很高興，“看來諾獎委員會現(xiàn)在更重視科學(xué)意義，而不再刻意學(xué)科平衡，當(dāng)然也更說明了天文學(xué)現(xiàn)在充滿了活力和激動人心的發(fā)現(xiàn)。特別是把獎授予Penrose，說明也更加重視那些意義重大的理論工作。Penrose和霍金的工作也有許多相關(guān)，因此我想霍金在天之靈也會很高興吧。”中國科技大學(xué)物理學(xué)院天文系蔡一夫教授則說，“此刻我想緬懷一下霍金，他是果殼宇宙的無冕之王。”如今，已有很多關(guān)于黑洞的研究，2017年諾獎更是頒給了探測引力波的工作，而那個引力波事件是基于假設(shè)黑洞的存在，所以有專家認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)黑洞的工作早該得獎。清華大學(xué)物理系教授樓宇慶表示，基于上述原因，自己曾在2017年諾獎頒布后，向物理諾貝爾獎委員會成員Thors Hans Hansson表示，為何不先將諾獎授予發(fā)現(xiàn)黑洞的工作，黑洞是廣義相對論的一個獨(dú)特的物理預(yù)言。英國天文學(xué)家Donald Lynden-Bell曾于1969年在Nature上發(fā)表文章探討銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞的可能性。根澤爾和蓋茲是通過探測恒星環(huán)繞中心黑洞的周期來推斷中心黑洞的質(zhì)量。此外，今年諾貝爾獎再度發(fā)給天體物理領(lǐng)域，說明該領(lǐng)域有許多值得獲獎的工作。茍利軍也表示，諾獎早該發(fā)給黑洞。2008年，香港的邵逸夫獎曾頒給根澤爾，表彰他發(fā)現(xiàn)并證明銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞的杰出貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在我們知道，銀河系中心存在小型的黑洞，而恒星級黑洞的數(shù)目有上億個。這次物理獎頒發(fā)得應(yīng)該說沒有什么爭議。
