2020諾貝爾物理學獎頒給了「銀河系中最黑暗的秘密」

2020年，受新冠疫情影響，諾貝爾基金會宣布，今年的12 月將不再舉辦一年一度的諾貝爾獎頒獎晚宴，頒獎典禮也改為了線上，科學家們將通過電話得知獲獎情況。

斯德哥爾摩時間2020年10月6日下午，諾貝爾物理學獎揭曉。獲獎者為三位從理論和觀測的角度證明了黑洞的存在，並在黑洞研究方向上做出巨大創造性貢獻的科學家。

他們分別是英國數學物理學家和科學哲學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）、馬克斯-普朗克太空物理學研究所所長萊因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和美國天文學家、美國國家科學院院士、美國物理學會（APS）院士安德裡亞·蓋茲（Andrea Ghez）。

其中，羅傑·彭羅斯提出了奇點定理，從理論角度證明了黑洞的存在，從而對廣義相對論進行了強有力的佐證。萊因哈德·根策爾和安德裡亞·蓋茲則從觀測角度證明了黑洞存在。

圖源：Nobel Media

早在2019年，諾貝爾物理學獎就授予了三位天文學家，表彰他們「使我們理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置方面」的貢獻。2020年，諾貝爾物理學獎再次青睞天文學領域，將獎項頒給了在黑洞研究方向上做出成果的科學家。

黑洞研究魅力何至於此？重要性究竟如何？這還要從恆星世界的演變說起。

宇宙中最黑暗的秘密

上世紀初，英國天文學家愛丁頓為我們揭開了恆星的生老病死之謎，他將恆星歸為三個階段：主序星（盛年恆星）、紅巨星（瀕死恆星）、白矮星（死掉的恆星）。隨著時間的推移，科學家們發現白矮星並不是恆星演化的終點，美國天文學家沃爾特·巴德和弗裡茨·茲威基通過研究預言了一種比白矮星更緻密的天體，那便是我們現在所了解的中子星。到了1939年，科學家們再次發現中子星也有自己的質量極限，如果一個中子星超過奧本海默極限，這個中子星同樣會繼續坍塌。

這就說明，對於一個球對稱、質量超過太陽質量3倍的死亡恆星而言，沒有任何力量能夠阻止它自身的引力塌縮，最終會變為引力無窮大的黑洞。而死亡恆星所有的質量，最終都會被壓縮成一個不佔任何體積的點——奇點。這個點集中了黑洞全部質量，密度達到無窮大。

圖源：電影《星際穿越》劇照

這個匪夷所思的理論被愛因斯坦所代表的的當時主流天文學界視為異端學說，蘇聯物理學家利夫希茲提出，真實宇宙中，不可能存在完全球對稱的恆星，所以恆星不能被完全坍塌為密度無窮大的奇點，黑洞也就無法形成。

圖源：Royal Swedish Academy of Sciences

到今天，我們已經知道，黑洞是被無數科研學者證實存在的，那麼破除「否奇點論」的第一個人是誰呢？就是本次諾貝爾物理學獎獲得者羅傑·彭羅斯。

羅傑·彭羅斯——證實黑洞的存在

彭羅斯自主性地開發了一套全新的數學工具——彭羅斯圖，利用該數學工具證明了奇點形成與恆星的對稱性無關，無論是什麼形狀的死亡恆星，只要其質量超過太陽質量的三倍，都會進行無限制的引力坍塌，從而壓縮成奇點。他將這一結論整理成名為「引力塌縮和時空奇點」的論文並發表在了《物理評論快報》上。

彭羅斯圖 圖源:維基百科

彭羅斯得出的結論在理論角度證實了黑洞存在的可能性，從而為廣義相對論進行了有力的佐證，也為後世研究黑洞打開了大門。彭羅斯本人說道：「我相信，黑洞的重要性在未來還會以無法預料的方式提升」。

其同事斯、宇宙之王蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）也利用彭羅斯的數學工具證明了宇宙大爆炸存在奇點，二人共同證明了著名的奇性定理並獲得1988年的沃爾夫物理獎。此外，霍金在撰寫《時間簡史》、《宇宙簡史》中也數次提到彭羅斯。

萊因哈德·根策爾和安德裡亞·蓋茲

—— 探測黑洞的存在

20世紀30年代，人類首次接收到了來自宇宙的射電信號——來自銀河系中心區域的射電信號。20世紀70年代中葉，美國國立射電天文臺的兩位天文學家布魯斯•貝裡克和羅伯特•布朗，用綠岸射電望遠鏡（《三體》中「紅岸」原型）確定了該射電信號的準確位置——人馬座西邊，與地球相距大概26000光年。這一個僅有3.26光年的狹小區域（布朗將這個區域明明為人馬座A*）居然能夠發出遠超恆星等級的強大無線電波（強大到人類第一次能夠接觸到的就是這個射電信號）。依據之前的發現，科學家們確信，這就是銀河系中心的具體位置。

圖源：維基百科

位於銀河系中心的人馬座A*究竟是什麼？萊因哈德·根策爾和安德裡亞·蓋茲為我們做出了解答。

他們同樣利用射電望遠鏡觀察人馬座A*，並對環繞其周圍進行高速旋轉著的39顆恆星進行緊密觀測，記錄下了一顆命名為「S2」恆星的運動速度——6000千米/秒，並根據向心力公式求出了人馬座A*的質量。他們發現，人馬座A*的質量居然是太陽的430萬倍！這樣一個狹小的區域居然隱藏著一個如此質量的龐然大物！

而依據此前的理論基礎，此現象唯一合理的解釋就是，位於銀河系中心、具有極強吸引力的龐然大物是黑洞。

圖源：維基百科

萊因哈德·根策爾和安德裡亞·蓋茲的開創性探測工作提供了迄今為止最令人信服的黑洞存在的證據，黑洞不再僅存於理論中，而是被探測到的真實存在，人類也終於揭開了銀河系中心的神秘面紗。

關於諾貝爾物理學獎獲得者

值得注意的是，本次諾貝爾物理學獎獲得者中有一位安德裡亞·米婭·蓋茲（Andrea Mia Ghez），是世界上第四位獲得諾貝爾物理學獎的女性。

其他三位分別為：

1903年–居裡夫人（Marie Curie）（她也同時獲得了1911年諾貝爾化學獎。）

1963年–瑪麗亞·格珀特·梅耶（Maria Goeppert-Mayer）

2018年–唐娜·斯特裡克蘭（Donna Strickland）

諾貝爾物理學獎整體獲獎情況如何？

從1901到2020年，諾貝爾物理學獎已產生216位獲獎者，有215個科學家獲得諾貝爾物理學獎（John Bardeen兩次獲獎）。

哪些大學獲取諾貝爾物理學獎的人數最多？

排名第一的是劍橋大學，數量為36人。

獎史上還有哪些特殊的獲獎者？

最年輕的獲獎者——勞倫斯·布拉格（Lawrence Bragg），1915年，時為25歲的他因與父親一起發現X射線衍射現象而獲獎。

最年長的獲獎者——阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），2018年因其此前在雷射物理領域的突破性發明獲得諾貝爾獎，當時的他已經96歲。

多次諾貝爾物理學獎得主——約翰·巴丁（John Bardeen），他是唯一兩次獲得諾貝爾物理學獎的人，獲獎時間及理由分別為1956年（半導體研究）和1972年（與他人聯合創立超導微觀理論）。

以夫婦為單位的獲獎者——居裡夫人（Marie Curie）和皮埃爾·居裡（Pierre Curie）於1903年被授予諾貝爾物理學獎。

以父子為單位的獲獎者——

1915年：威廉·布拉格（William Bragg）和勞倫斯·布拉格（Lawrence Bragg）

1922年的尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）和1975年的奧格玻爾（Aage N. Bohr）

1924年的曼尼西格巴恩（Manne Siegbahn）和1981年的凱M.塞班（Kai M. Siegbahn）

1906年的約瑟夫·湯姆孫（J. J. Thomson）和1937年的喬治·佩吉特湯姆森（George Paget Thomson）

羅傑·彭羅斯1965年證明黑洞的存在，今年終於被授予諾貝爾物理學獎，這中間整整過了55年，比霍金還早11年出生的他今年已經89歲了。萊因哈德·根策爾也同樣帶領團隊幾十年如一日，在科學路上砥礪前行。頒獎當天，根策爾甚至還在進行電話會議。在科學探索的道路上，他們幾十年磨一劍，孳孳不倦、百尺竿頭。

圖源：諾貝爾官方

探索不息、科學不止，人類永遠不會止步天文領域的探索，永遠朝著廣袤宇宙發出信號，期待獲取更多宇宙的奧秘。也許在將來，在一代又一代科學家的努力下，宇宙終會向人類揭開最後的面紗，而這，就是科研的魅力。

科研帶給人類的，遠比我們想像得多。從亞里斯多德到伽利略，從牛頓到愛因斯坦，無數科研先驅在探索自然、探索宇宙的路上不斷前行，使得人們掙脫了教條主義的枷鎖，思維進行了極大的擴展。

隨著科研隊伍的不斷壯大，人類不再局限於腳下的土地，而是向著那遠方的高山、神秘的火星和浩瀚的宇宙進發，一步步走向理想的星辰大海。