對黑洞的研究開辟了人類認識宇宙的新天地
——2020年諾貝爾物理學獎簡介

本刊資料室

1 2020年諾貝爾物理學獎揭曉

2020年諾貝爾物理學獎的一半給予英國數學家、物理學家彭羅斯(Roger Penrose)，表彰他對黑洞相關理論的研究，論證黑洞是廣義相對論預言的結果；另一半給予德國天體物理學家根策爾(Reinhard Genzel)和美國天文學家蓋茲(Andrea Ghez),表彰他們發現銀河系中心隱藏著的超大質量天體．

Roger Penrose(圖1)，1931年出生于英國科爾切斯特．1957年從英國劍橋大學獲得博士學位．目前任職于劍橋大學．

Reinhard Genzel(圖2)，1952年出生于德國巴特霍姆堡．1978年從德國波恩大學獲得博士學位．目前任職于德國馬普地外物理學研究所．

Andrea Ghez(圖3)，1965年出生于美國紐約．1992年從美國加州理工學院獲得博士學位．目前任職于加州大學洛杉磯分校．是第4位獲得諾貝爾物理學獎的女性科學家．

圖1 英國數學家、物理學家彭羅斯

圖2 德國天體物理學家根策爾

圖3 美國天文學家蓋茲

2 廣義相對論的預測

1915年，在狹義相對論建立的基礎上，愛因斯坦建立了廣義相對論并導出引力場方程

式中Rμ ν和R分別為描述時空特性的參數，gμ ν是時空基本度規張量，Tμ ν是物質張量，k是比例系數．根據對引力場方程的研究，1918年愛因斯坦從理論上預言了引力波的存在．2015年9月14日首次在實驗上測到了引力波，并因此而獲得2017年諾貝爾物理學獎．

另外，更加基本的是，愛因斯坦提出的廣義相對論顛覆了傳統的時間和空間概念．在傳統的時空觀中，時空是與物質無關的，而按廣義相對論，物質將決定時空的屬性．據此，引力場方程還可推測黑洞的存在：大質量的天體會使時空彎曲，一個超大質量的天體甚至能吞噬光線，從而形成一片“絕對黑暗”的時空，這就是黑洞．

3 彭羅斯對黑洞的研究

羅格·彭羅斯的知識很豐富，“彭羅斯三角形”就是經由彭羅斯父子得到推廣；此外，他還曾與霍金一起證明了著名的“奇性定理”，獲得過1988年沃爾夫物理學獎． 在愛因斯坦去世10年后，1965年1月，彭羅斯以引力場方程為基礎，用巧妙的數學方法論證了黑洞之形成． 彭羅斯事后回憶道，那是1964年的秋天，他還是伯克貝克學院的數學教授，正在與同事一道散步．正要穿越一條小徑時，他們暫時停止了交談，一個想法劃過彭羅斯的腦海．那天午后，他從大腦里翻出了一個念頭：“俘獲面”(trapped surface)．這就是彭羅斯苦尋多年的數學工具．俘獲面強制所有光指向一個中心，無論這個面是向內還是向外彎曲．利用俘獲面，彭羅斯可以證明黑洞總是藏有一個奇點，一個時空結束的邊界．它的密度是無限的，所有已知的自然法則到此終止．彭羅斯用這種思維方法，寫成一篇開創性的論文，發表于1965年1月，至今仍被認為是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻．現在，黑洞的中心存在奇點已成為科學界的普遍認識．黑洞引力非常強大，甚至連光線也無法逃逸，沒有光線射出的邊界稱為“事件視界”．直接窺視黑洞是不可能的——黑洞所有的秘密都藏在它的“事件視界”內．但從“事件視界”之外，可以了解或推測“事件視界”內的某些特性．

2019年4月10日，由全球8臺射電望遠鏡組合而成的“事件視界望遠鏡”項目拍攝到人類歷史上第一張黑洞照片(圖4)．被拍到的這個黑洞位于一個名為M87的星系中央，其質量是太陽的65億倍．在不久的將來，銀河系中央的黑洞“真容”可能也會顯露．

圖4 人類歷史上第一張黑洞照片

4 根策爾和蓋茲發現銀河系中心隱藏著的超大質量天體

早在1783年英國自然哲學家約翰·米歇爾(John Michell)就提出，“黑洞”(當時所謂的“黑洞”與今天的黑洞相差甚遠)周圍應該有著許多明亮的星體繞其旋轉，如果人們跟隨這些星體的軌跡，就能夠找到“黑洞”．而根策爾和蓋茲的研究應用的正是這一古老的思路．

另一方面，100年前，美國天文學家哈洛·沙普利首先確定了銀河系的中心，即射手座(又稱人馬座)區域．但直到20世紀90年代，隨著更大、更先進的天文觀測設備出現，科學家們才得以對銀河系中心進行更系統的研究．

根策爾和蓋茲分別領導一個研究小組，自20世紀90年代初以來，一直試圖透過塵埃云觀測銀河系中央一個名為“射手座A*”的區域．根策爾小組最初使用位于智利的新技術望遠鏡(NTT)，而后使用位于智利帕拉納爾山上的甚大望遠鏡(VLT)．而蓋茲小組則使用位于美國夏威夷冒納凱阿山上的凱克天文臺．

近30年來，根策爾和蓋茲的團隊不斷完善觀測技術，追蹤觀測區域內眾多恒星中一批最亮恒星的運動軌跡．其中一顆恒星在不到16年的時間內完成了圍繞星系中心的完整運行，科學家們得以繪制出它的完整軌道．

兩個研究團隊在數十年如一日的觀測后得出一致結論：銀河系中心存在一個質量非常大且看不見的天體，在不超過太陽系的空間中聚集了約400萬個太陽的質量，使周邊恒星急速旋轉．對這個看不見的天體，目前唯一合理的解釋就是它是一個黑洞． 2019年4月10日，拍攝到人類歷史上第一張黑洞照片．由此可以相信，在不久的將來，銀河系中央的上述黑洞“真容”也將顯露．

5 有待研究的諸多問題

諾貝爾物理學獎評委會主席戴維·哈維蘭德在頒獎儀式上表示，2020年獲獎者們的發現為研究致密和超大質量天體開辟了新天地．但這些奇特的物體仍然提出了許多有待進一步解答的問題．他說：“不僅有關于它們內部結構的問題，還有關于如何在緊鄰黑洞的極端條件下測試我們的引力理論的問題”，以及黑洞周圍的一些氣體運動狀態問題、大質量黑洞的形成問題、黑洞怎么從小變大的問題等等，都有待科學家們持續深入地開展研究．

6 有關基礎研究的思考

2020年諾貝爾物理學獎授予了非常基礎的天體物理學研究工作：發現與認識黑洞和銀河系中心超大質量天體．這就是大家所說的從0到1的基礎研究．其研究成果不斷深化著人類對自然界和宇宙的認識，是很多科學和應用研究的基礎，應該得到重視與支持．這種原創性的科學發現一般不是“規劃”出來的，更多的源于科學家們強烈的好奇心．在這種強烈好奇心的支持下，經過長期堅持與努力，最終有可能得出世界級成果，為國爭光．對于世界性的大國(我國)，這應該是不可忽視的一個方面.