2020年诺贝尔物理学奖权威解读，你想知道的都在这里！

刚刚，2020 年诺贝尔物理学奖将一半颁给了

罗杰·彭罗斯 (Roger Penrose)

以表彰其给出的黑洞形成的证明，并成为广义相对论的有力证据。另一半由

赖因哈德·根策尔 (Reinhard Genzel)

安德烈娅·盖兹 (Andrea Ghez)

共享，表彰他们在银河系中心发现超高质量高密度物质。

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2020 年诺贝尔物理学奖将一半的奖金颁给了罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）其证明了黑洞的形成，这成为广义相对论的有力证据。

黑洞的概念其实早就有了，早在 18 世纪米歇尔还有拉普拉斯等人就讨论过，一个具有与地球同样密度，而直径为太阳 250 倍的明亮天体，它发射的光将被自身引力吸引而不能被我们看到。

出于这个朴素的想法，宇宙中最明亮的天体却很可能是看不见的。在前面的论述中，拉普拉斯还给出了黑洞的史瓦西半径公式。

虽然这个公式确实是对的，和今天用广义相对论推导得出来的一样，但是当时拉普拉斯是通过把光假设成粒子，用万有引力定律计算的，这个计算过程不太对。后来爱因斯坦发表了广义相对论，很快史瓦西就根据理论场方程给出了史瓦西解。

第一张黑洞照片

黑洞的史瓦西解在当时并没有引起多大重视，这个解说时空中间是一个奇点，密度无限大，这实在是超乎想象。但是现在第一张黑洞照片也已经被拍摄出来了，我们几乎确信黑洞就是真实存在的。黑洞长什么样呢？对于史瓦西黑洞，黑洞中间就是一个奇点，这个点密度无限大，在史瓦西半径处这个曲面就叫做事件视界，也就是说只要物质——包括光，进入到事件视界以内，就别想出来了。黑洞比较特殊，它内部的时空坐标是互换的，就是我们理解的半径从表面一直延伸到奇点，这是一个时间坐标，只要进入到黑洞内部，就必须往奇点方向掉，所以严格来说事件视界以内的等半径曲面是一个等时面，奇点处就是时间的终点。假如有一艘宇宙飞船它掉进黑洞的事件视界里了，那他无论向哪个方向加大动力，都只能让他更快地奔向奇点，直至相撞。

不过关于黑洞的形成，从这个抽象的概念提出以后就有人怀疑，说黑洞坍缩之后会不会不存在奇点呢？ 我们计算出来的奇点可能是理想中的情况，在一个高度对称的情况下的结果，广义相对论的场方程因为十分难解，所以人们确实会先考虑一些对称的情况。但是真实情况，恒星坍缩很有可能不是高度对称的，恒星可能是奇形怪状的，每个地方坍缩的速度不一样，所以最终有可能不是坍缩成一个点。

这件事儿就是彭罗斯最先给出证明的，他证明了对于史瓦西黑洞不管是不是高度对称，恒星原来可能长的奇形怪状的，都没关系，最终都会坍缩成一个点，就是一个密度无限大的奇点。

后来是霍金在博士论文中把彭罗斯的证明进行了推广，这是 1966 年的事儿，当年霍金 24 岁，他把彭罗斯的奇点定理推广到了任意黑洞，正是这个奇点定理保证了奇点的存在，这个点在物理上的理解就是时间结束的地方，所有物质只进不出，所以后来人们又研究，那会不会存在时间开始的地方呢？所有物质只出不进呗？理论上存在，就是白洞，广义相对论允许黑洞和白洞的存在。

但是黑洞可以由恒星坍缩形成，那白洞怎么形成呢？这个问题现在还不是很好理解，所以物理学家其实讨论的并不多。1970 年霍金和彭罗斯共同合作又写了一篇论文，他们认为宇宙大爆炸就是开始于一个奇点，这个奇点就是一个白洞，并且在宇宙大爆炸初期还会形成一些质量很小的黑洞，不过这个但是到现在为止还没有观测证据。

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五十多年来，物理学家一直认为，银河系中心可能存在一个黑洞。自从 19 世纪 60 年代初发现类星体以来，物理学家就认为在包括银河系在内的大多数大型星系中可能会发现超大质量黑洞。然而，目前还没有人能解释星系及其黑洞是如何形成的，并且这些星系及其黑洞的质量介于几百万到数十亿之间。

一百年前，美国天文学家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）率先在人马座的方向上确定了银河系的中心。在后来的观察中，天文学家在那里发现了一个强大的无线电波源，并将那里标记为人马座 A*。到了 19 世纪 60 年代末，人们发现，人马座 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。

直到 19 世纪 90 年代，更大的望远镜和更好的设备才使我们对人马座 A* 能进行更系统的研究。赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）各自开始了一项研究，他们试图穿过尘埃云观测到银河系的中心。他们与研究小组一起开发和完善了技术，搭建了专业的实验装置，并致力于长期研究。

图三 银河系，我们的星系，它的形状像一个大约 100,000 光年大的光盘。它的旋臂由气体和灰尘以及几千亿颗恒星组成。我们的太阳是这些恒星中的一个。

只有世界上最大的望远镜才能注视遥远的恒星——天文学上绝对越大越好。德国天文学家赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和他的小组最初使用的是 NTT，即智利 La Silla 山上的新型望远镜。后来，他们将观测地点移至 Paranal 山脉（也在智利）的甚大望远镜设施 VLT。VLT 拥有四台巨型望远镜，其大小是 NTT 的两倍，具有世界上最大的单片镜，每片镜的直径均超过 8 米。

在美国，安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）和她的研究小组使用位于夏威夷冒纳凯阿山（Mauna Kea）上的凯克望远镜。凯克望远镜的口径有近 10 米，是目前世界上口径最大的光学/近红外线望远镜。它由 36 个六边形镜片以蜂窝状组合而成，可以分别控制这些镜片来更好地聚焦星光。

因为我们生活在深达100公里的大气环境中，所以无论望远镜有多大，它们所能分辨的细节都会有所限制。望远镜上方或周围的温度比周围环境高或低，它们上方的空气会像透镜一样将光线折射到望远镜的镜片上，使光波失真。这是星星闪烁的原因，也是其图像模糊的原因。

自适应光学的出现对于改善观测至关重要。望远镜现在会配备了一个薄的附加镜片，用来补偿空气的湍流带来的影响并校正畸变的图像。

近三十年来，赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）在遥远的银河系中心恒星混杂的环境中观测恒星。他们不断开发和完善他们的技术，并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。他们现在能够更精确地确定星星的位置，并长期进行跟踪。

研究人员追踪了众多恒星中约 30 个最亮的恒星。恒星在距中心一光月半径内移动最快，在其中进行忙碌的舞蹈，就像一群蜜蜂一样。另一方面，在该区域之外的恒星则以更有序的方式遵循其椭圆形轨道。

来自两个不同团队的观测结果符合地非常好，这让我们足以肯定在我们所处的银河系的中心，存在着一个黑洞，其质量大约为 4 百万倍太亮质量，其占据的体积和我们的太阳系大小相当。

我们可能很快就能直接看到人马座 A*。这个观测活动就在计划中，在一年以前，事件视界望远镜成功地对一个超大质量黑洞和其周围环境进行成像。这个黑洞就是 M87 星系（又称室女座A星系）黑洞，距离我们 5.5 千万光年，看起来像在漆黑的眼眸外围着一圈深红的火。M87星系黑洞是如此巨大，比起人马座 A* 要大 1000 倍。不过和也是在最近发现的相撞产生引力波的两个黑洞相比，这俩还是轻得多。像黑洞一样，在此之前引力波仅作为爱因斯坦广义相对论的理论推演而存在，然后于 2015 年秋季被美国 LIGO 探测器首次探测（2017 年诺贝尔物理学奖）。

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罗杰·彭罗斯证实了黑洞是广义相对论的直接结果，广义相对论在超强重力下仍然适用。理论物理领域中正努力构建一套新的量子引力理论。这必须要将物理领域中的两大支柱相结合——相对论与量子力学，黑洞的内部必然是两大理论共同作用的结果。

同时，观测活动越来越靠近黑洞。赖因哈德·根策尔与安德烈娅·米娅·盖兹的开创性工作为广义相对论及其最古怪的预测提供了新一代精确检验。这些测量也很有可能为新的理论观点提供线索。宇宙仍然有很多秘密与惊喜等着我们去发现。

#参考资料

#1 内容经授权整理自妈咪叔视频【天文21】黑洞有几根毛？面积只增不减？霍金对于黑洞的贡献 #2,3 内容翻译自诺贝尔奖官方介绍材料