撰文 | 返朴

 

北京时间10月6日晚间，2020年诺贝尔物理学奖授予英国数学物理学家彭罗斯（Roger Penrose），表彰他对“发现黑洞形成是广义相对论的有力预测”，以及根泽尔（Reinhard Genzel）和盖兹（Andrea Ghez），表彰他们“发现银河系中心有一个超大质量致密天体”（大约为400万太阳质量的黑洞）。由于去年诺贝尔物理学奖奖给了宇宙学和地外行星探测，而近年来物理奖从未连续发给同一领域，所以今年颁给黑洞让人十分意外。

左起：彭罗斯（Roger Penrose）、根泽尔（Reinhard Genzel）和盖兹（Andrea Ghez）

 

罗杰·彭罗斯的工作表明，广义相对论预言了黑洞的形成。莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹则发现，银河系中心有一个不可见的、质量极大的致密物体控制着恒星的轨道。超大质量黑洞是目前唯一已知的合理物理解释。

罗杰·彭罗斯（Roger Penrose），1931年出生于英国科尔切斯特。1957年毕业于英国剑桥大学。英国牛津大学教授。

莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel），1952年生于德国的巴特洪堡。1978年在德国波恩大学博士学位。德国马普地外物理研究所所长，美国加州大学伯克利分校教授。

安德里亚·盖兹，1965年出生于美国纽约市。1992年从美国加州理工学院获得博士学位。美国加州大学洛杉矶分校教授。

 

罗杰·彭罗斯使用了巧妙的数学方法证明，黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果。不过爱因斯坦本人并不相信黑洞真的存在。黑洞是宇宙中质量巨大的怪物，会捕获落入其半径内的所有物质，没有东西可以逃脱黑洞的引力束缚，即便是光。

 

卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）于1915年找到了爱因斯坦方程的一个球对称奇异解，今天称之为黑洞解。该文章于1916年1月发表，只比爱因斯坦的广义相对论文章晚一个多月。这是除了平凡的平直空间解之外的爱因斯坦场方程的第一个精确解。这个解对应于一个没有旋转且不带电荷的黑洞。史瓦西在的论文发表后不久就去世，死于他在一战期间在德国军队服役期间染上了疾病。年轻的荷兰物理学家约翰内斯·德罗斯特（Johannes Droste）在1916年使用更简单、更直接的推导，独立地找到了与史瓦西相同的解。这两个工作告诉我们爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在。直到1963年，29岁的新西兰数学物理学家Roy Patrick Kerr进一步从广义相对论中推导出轴对称的旋转黑洞解。

 

几十年来的天文观测，人们基于不同的模型采用不同的观测方法在宇宙时空中由远及近推测出众多大大小小的黑洞候选体，为它们分门别类，并探究它们可能的物理起源和形成途径。

 

在广义相对论的早期，人们对史瓦西解中发现的奇异性的性质感到困惑。在史瓦西的原始论文中，他将我们现在所说的事件视界放在他的坐标系的原点上。第二年，大卫·希尔伯特（David Hilbert）对奇异性结构进行了更完整的分析，确定了r = 0和r= rs（这对应于事件视界）时的奇异性。尽管人们普遍认为r = 0时的奇点是“真正的”物理奇点，但仍不清楚r = rs时的奇点性质，尤其是在结合量子场论的情况下。霍金的黑洞蒸发就是在事件视界附近发生的。为了纪念史瓦西，rs被称作史瓦西半径，对应于黑洞的大小。

图1：黑洞的形成

 

莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹通过探测恒星环绕中心黑洞的周期来推断中心黑洞的质量。他们各自领导了一个天文学家小组，从上世纪90年代初开始，他们就致力于研究银河系中心一个名为人马座A*的区域。距离银河系中心最近、最亮的那些恒星的轨道被越来越精确地绘制出来。两个研究小组的测量结果一致，他们都发现有一个质量非常大的不可见物体，它牵引着这一团恒星，使它们以令人眩晕的速度四处乱窜。在一个不比我们的太阳系更大的区域里，聚集着大约400万个太阳质量的物质。

图2：银河系、太阳系和银河系中心的人马座A*

 

利用世界上最大的望远镜，根泽尔和盖兹开发出了新的方法，可以穿透星际气体和尘埃组成的巨大云团，看到银河系的中心。他们突破了技术的局限，改进了新技术来弥补地球大气造成的观测误差，建造了独特的仪器并致力于长期研究。他们的开创性工作为我们提供了迄今为止最为令人信服的证据，证明银河系中心存在一颗超大质量黑洞。

图3：恒星的轨迹揭示出，银河系中心的有一个质量非常大的不可见物体控制着它们的轨迹。

 

诺贝尔物理学奖委员会主席David Haviland说：

 

“今年获奖者的发现为致密的超大质量物体的研究开辟了新的领域。但是这些奇异的物体提出了更多问题需要解答，并激励着未来的研究。不仅是关于其内部结构的问题，还有如何在黑洞附近的极端条件下检验我们的引力理论的问题。”

 

众所周知，罗杰·彭罗斯在数学物理上有极高的造诣。中国科学院物理研究所曹则贤研究员向《返朴》表示，彭罗斯是一个大神级的人物，他是一个数学家、物理学家和哲学家。彭罗斯的成就是全面的，而且著述颇丰，其名篇包括《皇帝的新脑》《通向实在之路》等等。我在德国读博士的时候，大学图书馆里所有的彭罗斯的书都被人偷走了。《通向实在之路》是数学、物理和哲学的集大成，历史上可与之比拟的书少有。

 

“彭罗斯的成就很多，除了数学以及今年获奖的工作，另一个耀眼的工作是彭罗斯铺排。1974年，彭罗斯用风筝和飞镖两种单元，给出了具有五次转动对称性的平面铺排方案。我个人认为，这为准晶概念的接受提供了学术心理基础。Schechtman因为准晶的发现获得了2011年度诺贝尔化学奖。”曹则贤说，“彭罗斯是我心目中的大神。他是集数学、物理与哲学成就于一身的真正的科学家。”

经典巨著《通向实在之路》

 

国家天文台研究员苟利军表示，之所以会发给今年的三位获奖人，是因为彭罗斯最早跟霍金合作在理论上确认了黑洞中心存在奇点。后来根泽尔团队最早观测到了黑洞的存在，而盖兹精确测量到了银河系中心存在400万倍太阳质量的黑洞。这三位获奖人的工作是奠基性的，可以说，诺奖颁给他们体现了诺贝尔奖对最原创工作的重视。此外，苟利军认为，如果霍金还活着，也有可能获此殊荣。

 

国家天文台研究员陈学雷表示很意外也很高兴，“看来诺奖委员会现在更重视科学意义，而不再刻意学科平衡，当然也更说明了天文学现在充满了活力和激动人心的发现。特别是把奖授予Penrose，说明也更加重视那些意义重大的理论工作。Penrose和霍金的工作也有许多相关，因此我想霍金在天之灵也会很高兴吧。”中国科技大学物理学院天文系蔡一夫教授则说，“此刻我想缅怀一下霍金，他是果壳宇宙的无冕之王。”

 

如今，已有很多关于黑洞的研究，2017年诺奖更是颁给了探测引力波的工作，而那个引力波事件是基于假设黑洞的存在，所以有专家认为，发现黑洞的工作早该得奖。

 

清华大学物理系教授楼宇庆表示，基于上述原因，自己曾在2017年诺奖颁布后，向物理诺贝尔奖委员会成员Thors Hans Hansson表示，为何不先将诺奖授予发现黑洞的工作，黑洞是广义相对论的一个独特的物理预言。英国天文学家Donald Lynden-Bell曾于1969年在Nature上发表文章探讨银河系中心存在超大质量黑洞的可能性。根泽尔和盖兹是通过探测恒星环绕中心黑洞的周期来推断中心黑洞的质量。此外，今年诺贝尔奖再度发给天体物理领域，说明该领域有许多值得获奖的工作。

 

苟利军也表示，诺奖早该发给黑洞。2008年，香港的邵逸夫奖曾颁给根泽尔，表彰他发现并证明银河系中心存在超大质量黑洞的杰出贡献。现在我们知道，银河系中心存在小型的黑洞，而恒星级黑洞的数目有上亿个。这次物理奖颁发得应该说没有什么争议。