关于黑洞的发现

龙学锋

什么是黑洞

理论认为，黑洞是恒星演化的最后阶段，是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃逸的天体。但并非所有恒星都会变成黑洞，黑洞仅由非常巨大的恒星演变而成。当这些恒星的生命耗尽时，将以灾难性且不可阻挡的方式坍塌，同时形成一口“引力井”。爱因斯坦在1915年提出的广义相对论可以解释黑洞的原理。这些宇宙“怪兽”的引力大到什么都无法逃脱，无论是物质还是光—作为宇宙中速度最快的，如果光都无法从黑洞逃脱，那么其他东西更做不到。

彭罗斯的贡献：用数学方法证明黑洞

爱因斯坦提出的广义相对论颠覆了传统的空间和时间概念。他的方程式预言了黑洞的存在：大质量的天体会使空间弯曲、时间减慢，一个超大质量的天体甚至能吞噬光线，从而形成一片“绝对黑暗”的空间，这就是黑洞。值得一提的是，爱因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

在爱因斯坦去世10年后，彭罗斯用巧妙的数学方法论证了黑洞可以形成，并对其进行了详细描述：在黑洞的核心隐藏着一个奇点，它的时空曲率无穷大，密度也趋于无限大。一旦物质开始坍缩，就没有什么能阻止坍缩的继续，所有物质只能沿一个方向走向奇点。这是一条通往时间尽头的“单行道”。 用几何的语言来说，这是几何上的奇点。而在普通人看来，这是毁灭之点，因为越是靠近这个点，引力产生的拉扯力越大，最终归于毁灭。从物理学的角度来看，在这个点上，所有的物理学定律不再适用。

彭罗斯这篇开创性的论文发表于1965年1月，首次将整体微分几何引入广义相对论的研究之中，开启了后来几十年利用整体微分几何研究广义相对论的潮流，并且催生了一系列重要结果，至今仍被认为是自爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献。现在，黑洞的中心存在奇点已成为科学界的普遍认识。彭罗斯的工作不仅在结果上有重要意义，在方法上也影响深远。

根泽尔和格兹的贡献：天文观测发现黑洞

1918年，美国天文学家哈洛·沙普利首先确定了银河系的中心，即射手座（又称人马座）方向。在后来的观察中，天文学家在那里发现了一个强大的电磁波源，并将那里标记为射手座 A*。人们发现，射手座 A* 占据了银河系的中心，并且银河系轨道上的所有恒星都围绕着它。自20世纪90年代初以来，根泽尔和格兹各自领导着一组天文学家，他们一直专注于银河系中心射手座A*的区域。近30年来，根泽尔和格兹在遥远的银河系中心恒星混杂的环境中观测恒星。根泽尔和格兹使用世界上最大的望远镜，开发出新的方法来观察星际气体和尘埃的巨大云层，直至银河系的中心。他们不断开发和完善技术，配备了更加灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学器件，使图像分辨率提高了千倍以上。他们能够更精确地确定恒星的位置，追踪观测区域内众多恒星中30颗最亮恒星的运动轨迹。两个研究团队在数十年如一日的观测后得出一致结论：银河系中心存在一个质量非常大且看不见的天体，它的拉动造成恒星的混乱，使它们以眩晕的速度奔波。对这个看不见的天体，目前唯一合理的解释就是它是一个黑洞。

诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德在颁奖仪式上表示，今年获奖者们的发现为研究致密和超大质量天体开辟了新天地。但对这些奇特的物体仍然提出了许多有待进一步解答的问题，并激发未来的研究。他说：“不仅有关于它们内部结构的问题，还有关于如何在紧邻黑洞的极端条件下测试我们的引力理论的问题。”

彭罗斯与霍金一起证明了奇点定理

奇点的存在一直是物理学中的一个难题。1969年，彭罗斯提出了著名的宇宙监督原理，该原理保证任何时空奇点都会被视界包围起来。直到今天，这个猜测还是引力理论中的一个难题。1965—1970年，彭罗斯与霍金在一系列工作中一起证明了奇点定理。简单来说，对于任何黑洞，只要物质的能动张量满足某些不太苛刻的条件，那么黑洞内部将一定存在奇点。彭罗斯的工作证明了奇点不仅在数学上是广义相对论的一个解，而且在物理上也是可能由一般的物理条件演化而得到的。大家一定注意到了这项工作是彭罗斯与霍金一起做的。具体来说，奇点的解不仅在黑洞中存在，在宇宙学中也存在（宇宙大爆炸就是从一个奇点开始的）。彭罗斯的工作主要在黑洞方面，霍金的工作则在宇宙学方面。因此，就今年的颁奖词“发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测”而言，彭罗斯获奖是恰如其分的。

趣味数说诺贝尔物理學奖

诺贝尔物理学奖已经颁发100多次。宏观至宇宙探索，微观至原子结构，都是物理学奖得主们的研究领域。回顾过去颁发的这个奖项，能发现不少有趣的数字。

114次：自1901年首次颁奖至2020年，诺贝尔物理学奖已颁发114次。因战争等原因，有6个年份未颁奖，分别为1916年、1931年、1934年、1940年、1941年和1942年。首名获奖者是发现X射线的物理学家伦琴，其他获奖者还包括爱因斯坦、居里夫人（玛丽·居里）、玻尔等。

1对夫妻：在物理学奖历史上，曾有一对夫妻同时获奖，即人们所熟知的居里夫妇。玛丽·居里和丈夫皮埃尔·居里因对放射性现象的研究获得1903年诺贝尔物理学奖。有意思的是，居里夫妇的女儿伊雷娜·约里奥—居里与丈夫弗雷德里克·约里奥—居里同获1935年诺贝尔化学奖。

2次获奖：截至2020年，共有216人次获得诺贝尔物理学奖桂冠，其中约翰·巴丁在1956年和1972年两次摘走物理学奖，因此实际获奖人数为215人。玛丽·居里也曾两次获诺贝尔奖，但奖项不同，1903年获物理学奖，1911年获化学奖。

4名女性：历史上仅有4名女性获得诺贝尔物理学奖，除玛丽·居里外，另外三人分别是1963年因原子核研究获奖的玛丽亚·格佩特，2018年因在激光物理学领域做出突破性贡献而获奖的唐娜·斯特里克兰，以及刚刚揭晓的因发现黑洞而获得2020年诺贝尔物理学奖的美国科学家安德里亚·格兹。

4对父子：父子均获诺贝尔物理学奖的共有4对，其中亨利·布拉格与劳伦斯·布拉格于1915年同时获奖，其他三对父子不是同年获奖。

25岁与96岁：截至2019年，最年轻的诺贝尔物理学奖得主是1915年获奖的劳伦斯·布拉格，时年25岁。最年长的获奖者为阿瑟·阿什金，2018年获奖时已96岁。

罗杰·彭罗斯研究领域：数学、物理学

1931年出生于英国埃塞克斯州的一个医生家庭。他的父亲是著名的人类遗传学家莱昂内尔·彭罗斯。罗杰·彭罗斯1957年毕业于英国剑桥大学，被授予剑桥大学博士学位。

彭罗斯在生活中也是一个非常有趣的人。他最为出名的发明也许是与娱乐数学有关的彭罗斯贴砖。彭罗斯也有一些很有争议性的观点，比如他对人类智能的观点集中在他的著作《皇帝新脑》一书中，他声称已知的物理定律不足以解释意识现象。他提议新物理学所具有的特性应该能填补经典物理学和量子力学之间的理论沟壑。

莱因哈德·根泽尔研究领域：天体物理学

1952年生于德国的巴特洪堡，1978年获德国波恩大学博士学位。德国加兴马普地外物理研究所所长，美国加州大学伯克利分校教授。

目前，根泽尔正在将他们的研究推向越来越小的空间尺度和越来越远的距离，以达到在“大爆炸”之后的最初几十亿年中形成的星系。他的研究小组使用新一代10米级地面望远镜（例如Keck望遠镜）以及自适应光学和干涉测量的新技术，这样的高分辨率技术将揭示中心黑洞是否存在以及在那里如何形成恒星。

安德里亚·格兹研究领域：天体物理学

1965年出生于美国纽约，1992年毕业于美国加州理工学院，获博士学位，美国加州大学洛杉矶分校教授。

这是百余年来，诺贝尔物理学奖史上第4位女性获奖者。目前，她正在研究恒星形成和银河中心的大黑洞。在对恒星形成区域的研究中，她发现大多数年轻恒星都有伴星，并且大多数恒星的距离小于太阳系的大小。这就提出了许多有趣的问题：紧密的伴星对这些年轻恒星周围的行星形成有什么影响？单颗恒星（例如我们的太阳）如何形成？什么机制产生多颗恒星系统，什么会影响它们的最终性质？

除了研究，格兹还热衷于将自己的研究成果分享给更多热爱宇宙学的年轻学子。在格兹还是加州理工学院博士生时，她就请求学校破格让她教授大一物理课，理由是年轻的学生们没有足够的女性榜样，而她的存在可以鼓励年轻的女性从事天体物理学的职业。她对学生的关心、她对教学的热情以及专业度赢得了学生的钦佩。为了促进学生的学习，格兹经常在考试和讲课中加入动画片，通过轻松的方式让学生消除对物理的恐惧。