關(guān)于黑洞的發(fā)現(xiàn)

龍學(xué)鋒

什么是黑洞

理論認為，黑洞是恒星演化的最后階段，是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃逸的天體。但并非所有恒星都會變成黑洞，黑洞僅由非常巨大的恒星演變而成。當這些恒星的生命耗盡時，將以災(zāi)難性且不可阻擋的方式坍塌，同時形成一口“引力井”。愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論可以解釋黑洞的原理。這些宇宙“怪獸”的引力大到什么都無法逃脫，無論是物質(zhì)還是光—作為宇宙中速度最快的，如果光都無法從黑洞逃脫，那么其他東西更做不到。

彭羅斯的貢獻：用數(shù)學(xué)方法證明黑洞

愛因斯坦提出的廣義相對論顛覆了傳統(tǒng)的空間和時間概念。他的方程式預(yù)言了黑洞的存在：大質(zhì)量的天體會使空間彎曲、時間減慢，一個超大質(zhì)量的天體甚至能吞噬光線，從而形成一片“絕對黑暗”的空間，這就是黑洞。值得一提的是，愛因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

在愛因斯坦去世10年后，彭羅斯用巧妙的數(shù)學(xué)方法論證了黑洞可以形成，并對其進行了詳細描述：在黑洞的核心隱藏著一個奇點，它的時空曲率無窮大，密度也趨于無限大。一旦物質(zhì)開始坍縮，就沒有什么能阻止坍縮的繼續(xù)，所有物質(zhì)只能沿一個方向走向奇點。這是一條通往時間盡頭的“單行道”。 用幾何的語言來說，這是幾何上的奇點。而在普通人看來，這是毀滅之點，因為越是靠近這個點，引力產(chǎn)生的拉扯力越大，最終歸于毀滅。從物理學(xué)的角度來看，在這個點上，所有的物理學(xué)定律不再適用。

彭羅斯這篇開創(chuàng)性的論文發(fā)表于1965年1月，首次將整體微分幾何引入廣義相對論的研究之中，開啟了后來幾十年利用整體微分幾何研究廣義相對論的潮流，并且催生了一系列重要結(jié)果，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(xiàn)在，黑洞的中心存在奇點已成為科學(xué)界的普遍認識。彭羅斯的工作不僅在結(jié)果上有重要意義，在方法上也影響深遠。

根澤爾和格茲的貢獻：天文觀測發(fā)現(xiàn)黑洞

1918年，美國天文學(xué)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）方向。在后來的觀察中，天文學(xué)家在那里發(fā)現(xiàn)了一個強大的電磁波源，并將那里標記為射手座 A*。人們發(fā)現(xiàn)，射手座 A* 占據(jù)了銀河系的中心，并且銀河系軌道上的所有恒星都圍繞著它。自20世紀90年代初以來，根澤爾和格茲各自領(lǐng)導(dǎo)著一組天文學(xué)家，他們一直專注于銀河系中心射手座A*的區(qū)域。近30年來，根澤爾和格茲在遙遠的銀河系中心恒星混雜的環(huán)境中觀測恒星。根澤爾和格茲使用世界上最大的望遠鏡，開發(fā)出新的方法來觀察星際氣體和塵埃的巨大云層，直至銀河系的中心。他們不斷開發(fā)和完善技術(shù)，配備了更加靈敏的數(shù)字光傳感器和更好的自適應(yīng)光學(xué)器件，使圖像分辨率提高了千倍以上。他們能夠更精確地確定恒星的位置，追蹤觀測區(qū)域內(nèi)眾多恒星中30顆最亮恒星的運動軌跡。兩個研究團隊在數(shù)十年如一日的觀測后得出一致結(jié)論：銀河系中心存在一個質(zhì)量非常大且看不見的天體，它的拉動造成恒星的混亂，使它們以眩暈的速度奔波。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。

諾貝爾物理學(xué)獎評委會主席戴維·哈維蘭德在頒獎儀式上表示，今年獲獎?wù)邆兊陌l(fā)現(xiàn)為研究致密和超大質(zhì)量天體開辟了新天地。但對這些奇特的物體仍然提出了許多有待進一步解答的問題，并激發(fā)未來的研究。他說：“不僅有關(guān)于它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題，還有關(guān)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。”

彭羅斯與霍金一起證明了奇點定理

奇點的存在一直是物理學(xué)中的一個難題。1969年，彭羅斯提出了著名的宇宙監(jiān)督原理，該原理保證任何時空奇點都會被視界包圍起來。直到今天，這個猜測還是引力理論中的一個難題。1965—1970年，彭羅斯與霍金在一系列工作中一起證明了奇點定理。簡單來說，對于任何黑洞，只要物質(zhì)的能動張量滿足某些不太苛刻的條件，那么黑洞內(nèi)部將一定存在奇點。彭羅斯的工作證明了奇點不僅在數(shù)學(xué)上是廣義相對論的一個解，而且在物理上也是可能由一般的物理條件演化而得到的。大家一定注意到了這項工作是彭羅斯與霍金一起做的。具體來說，奇點的解不僅在黑洞中存在，在宇宙學(xué)中也存在（宇宙大爆炸就是從一個奇點開始的）。彭羅斯的工作主要在黑洞方面，霍金的工作則在宇宙學(xué)方面。因此，就今年的頒獎詞“發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是對廣義相對論的有力預(yù)測”而言，彭羅斯獲獎是恰如其分的。

趣味數(shù)說諾貝爾物理學(xué)獎

諾貝爾物理學(xué)獎已經(jīng)頒發(fā)100多次。宏觀至宇宙探索，微觀至原子結(jié)構(gòu)，都是物理學(xué)獎得主們的研究領(lǐng)域。回顧過去頒發(fā)的這個獎項，能發(fā)現(xiàn)不少有趣的數(shù)字。

114次：自1901年首次頒獎至2020年，諾貝爾物理學(xué)獎已頒發(fā)114次。因戰(zhàn)爭等原因，有6個年份未頒獎，分別為1916年、1931年、1934年、1940年、1941年和1942年。首名獲獎?wù)呤前l(fā)現(xiàn)X射線的物理學(xué)家倫琴，其他獲獎?wù)哌€包括愛因斯坦、居里夫人（瑪麗·居里）、玻爾等。

1對夫妻：在物理學(xué)獎歷史上，曾有一對夫妻同時獲獎，即人們所熟知的居里夫婦。瑪麗·居里和丈夫皮埃爾·居里因?qū)Ψ派湫袁F(xiàn)象的研究獲得1903年諾貝爾物理學(xué)獎。有意思的是，居里夫婦的女兒伊雷娜·約里奧—居里與丈夫弗雷德里克·約里奧—居里同獲1935年諾貝爾化學(xué)獎。

2次獲獎：截至2020年，共有216人次獲得諾貝爾物理學(xué)獎桂冠，其中約翰·巴丁在1956年和1972年兩次摘走物理學(xué)獎，因此實際獲獎人數(shù)為215人。瑪麗·居里也曾兩次獲諾貝爾獎，但獎項不同，1903年獲物理學(xué)獎，1911年獲化學(xué)獎。

4名女性：歷史上僅有4名女性獲得諾貝爾物理學(xué)獎，除瑪麗·居里外，另外三人分別是1963年因原子核研究獲獎的瑪麗亞·格佩特，2018年因在激光物理學(xué)領(lǐng)域做出突破性貢獻而獲獎的唐娜·斯特里克蘭，以及剛剛揭曉的因發(fā)現(xiàn)黑洞而獲得2020年諾貝爾物理學(xué)獎的美國科學(xué)家安德里亞·格茲。

4對父子：父子均獲諾貝爾物理學(xué)獎的共有4對，其中亨利·布拉格與勞倫斯·布拉格于1915年同時獲獎，其他三對父子不是同年獲獎。

25歲與96歲：截至2019年，最年輕的諾貝爾物理學(xué)獎得主是1915年獲獎的勞倫斯·布拉格，時年25歲。最年長的獲獎?wù)邽榘⑸ぐ⑹步穑?018年獲獎時已96歲。

羅杰·彭羅斯研究領(lǐng)域：數(shù)學(xué)、物理學(xué)

1931年出生于英國埃塞克斯州的一個醫(yī)生家庭。他的父親是著名的人類遺傳學(xué)家萊昂內(nèi)爾·彭羅斯。羅杰·彭羅斯1957年畢業(yè)于英國劍橋大學(xué)，被授予劍橋大學(xué)博士學(xué)位。

彭羅斯在生活中也是一個非常有趣的人。他最為出名的發(fā)明也許是與娛樂數(shù)學(xué)有關(guān)的彭羅斯貼磚。彭羅斯也有一些很有爭議性的觀點，比如他對人類智能的觀點集中在他的著作《皇帝新腦》一書中，他聲稱已知的物理定律不足以解釋意識現(xiàn)象。他提議新物理學(xué)所具有的特性應(yīng)該能填補經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)之間的理論溝壑。

萊因哈德·根澤爾研究領(lǐng)域：天體物理學(xué)

1952年生于德國的巴特洪堡，1978年獲德國波恩大學(xué)博士學(xué)位。德國加興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。

目前，根澤爾正在將他們的研究推向越來越小的空間尺度和越來越遠的距離，以達到在“大爆炸”之后的最初幾十億年中形成的星系。他的研究小組使用新一代10米級地面望遠鏡（例如Keck望遠鏡）以及自適應(yīng)光學(xué)和干涉測量的新技術(shù)，這樣的高分辨率技術(shù)將揭示中心黑洞是否存在以及在那里如何形成恒星。

安德里亞·格茲研究領(lǐng)域：天體物理學(xué)

1965年出生于美國紐約，1992年畢業(yè)于美國加州理工學(xué)院，獲博士學(xué)位，美國加州大學(xué)洛杉磯分校教授。

這是百余年來，諾貝爾物理學(xué)獎史上第4位女性獲獎?wù)摺Ｄ壳埃谘芯亢阈切纬珊豌y河中心的大黑洞。在對恒星形成區(qū)域的研究中，她發(fā)現(xiàn)大多數(shù)年輕恒星都有伴星，并且大多數(shù)恒星的距離小于太陽系的大小。這就提出了許多有趣的問題：緊密的伴星對這些年輕恒星周圍的行星形成有什么影響？單顆恒星（例如我們的太陽）如何形成？什么機制產(chǎn)生多顆恒星系統(tǒng)，什么會影響它們的最終性質(zhì)？

除了研究，格茲還熱衷于將自己的研究成果分享給更多熱愛宇宙學(xué)的年輕學(xué)子。在格茲還是加州理工學(xué)院博士生時，她就請求學(xué)校破格讓她教授大一物理課，理由是年輕的學(xué)生們沒有足夠的女性榜樣，而她的存在可以鼓勵年輕的女性從事天體物理學(xué)的職業(yè)。她對學(xué)生的關(guān)心、她對教學(xué)的熱情以及專業(yè)度贏得了學(xué)生的欽佩。為了促進學(xué)生的學(xué)習(xí)，格茲經(jīng)常在考試和講課中加入動畫片，通過輕松的方式讓學(xué)生消除對物理的恐懼。