2020諾貝爾物理學獎：黑洞研究從幻想變為現實

在德軍東線陣地上，炮兵中尉卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）計算出了愛因斯坦場方程的精確解。史瓦西是一名天文學家、物理學家，當選普魯士科學院院士不久後，他加入了德國陸軍。1916年，史瓦西在寄給愛因斯坦的論文中給出的解表明，如果一個球狀對稱、不自轉的物體實際半徑小於一個定值，其周圍就會產生奇異的現象，連光和粒子都無法從中逃脫。後人稱其史瓦西半徑（事件視界），被美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒命名為「黑洞」。

圖片：諾貝爾獎官網

1916年5⽉，史瓦西因感染了天皰瘡去世。但史瓦西開始的探索在持續⼀個世紀後，獲得了2020年的諾⻉爾物理學獎。該獎授予給三位科學家，他們是：英國物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）、德國天體物理學家賴因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和美國天文學家安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez），表彰他們揭露了「黑洞和銀河系最黑暗的秘密。」這是第⼀個專⻔頒發的黑洞研究的諾⻉爾獎——承認了⿊洞的存在。「現在，我們認為這些事是理所當然的，"密西西比大學的物理學家利奧·斯坦（Leo Stein）說。「我們已經走了這麼遠。至少在天體物理學界，我們認為，『當然有黑洞。』」然而，事實並⾮如此。在最初幾十年裡，黑洞一直被認為只是愛因斯坦理論的數學產物。

「幻想」黑洞

1916年之後的幾年，史瓦西解引發了數學家和物理學家的興趣，同時也讓他們感到驚愕。史瓦西預⾔的"史瓦西半徑"—— 一個球狀對稱、不自轉的物體的重力場的精確解。理論上，一個物體的史瓦西半徑與其質量成正比，比如太陽的史瓦西半徑約為3公裡，地球的史瓦西半徑只有約9毫米。若物體的實際半徑小於其史瓦西半徑，那麼它被稱為「黑洞」。

對一個已經形成的黑洞而言，若把史瓦西半徑內的物質看作一個系統，那麼這個系統內的所有物質都應該坍縮到一個區域，這個區域要小於質子、電子，或者物質的任何常規部分。也就是說，一旦掉入到史瓦西半徑內，即所謂的「事件視界」——黑洞周圍連光都無法逃逸的區域，任何物質都無法逃脫，在事件視界之內發生的事情，都會留在事件視界之內。而這些進入黑洞的物質，它們的最終歸宿都是奇點。

幸運的是，事件視界「包住」了奇點，從而將我們所在的宇宙空間與其分隔開來。這也是「黑洞」令科學家們著迷的原因，他們想看到「黑洞」的事件視界附近究竟發生了什麼？這是無法在實驗室裡模擬的，科學家們只能寄希望於觀察宇宙中的黑洞。

因此，直到20世紀50年代，「黑洞」還是天方夜譚。在這幾十年裡，「黑洞」研究取得了一些進展，但大多是數學上的消遣。「當時人們認為，『好吧，這只是幻想。』因為完全超出了物理理論適⽤的領域。"普林斯頓⼤學的物理學家弗朗斯·普裡託裡厄斯（Frans Pretorius ）說。

理論上，外界觀察者無法直接觀測到黑洞內部的現象，因為一個黑洞是由奇點與包圍住它的事件視界所構成，速度最快的光也無法逃脫到事件視界之外，而裸奇點則與之相反。如果裸奇點真的存在，那麼在我們所處的時空中，現有的物理定律也將失效，我們將失去利用廣義相對論預測未來事件的能力。

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為了解決廣義相對論的複雜性，即時在空彎曲到極限的情況下也能不受困擾，彭羅斯設計了一套數學工具。他特別引入了數學概念「被困表面」，通過引入「被困表面」的概念以及現在著名的用於分析表面如何在時空中定位的圖解法來說明這一點。不同於可以使光線沿任何方向射出的普通表面，「被困表面」是封閉的二維表面，即使扭曲使其不再是球體，也只允許光線向一個方向射出，即朝向中心點，使物理學家得以準確地確定黑洞的邊界。在邊界上，即使是光也無法逃脫被萬有引力無情拖拽的命運。（非旋轉黑洞的邊界位於其史瓦西半徑處。）

「我們真的不喜歡奇點，」斯坦說。「事實上，我們可以切掉黑洞時空的內部，用…粉紅色的大象或你擁有的東西代替。從外部看，你永遠無法分辨出差異，因為它們都隱藏在視界之後。」1969年，彭羅斯又提出了宇宙監督理論（the cosmic censorship hypothesis），這一理論推測，宇宙中存在一位「監督」，它禁止裸奇點的出現。如果這一理論成立，所有這些奇點都擁有一個黑洞邊界。即使當黑洞相互碰撞並融合時，奇點（或粉紅色的大象）仍會被其邊界所隱藏，阻止其存在將外宇宙陷入混亂。

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而在此之前，研究人員一直試圖弄清像愛因斯坦方程式的「史瓦西解」（1916年卡爾·史瓦西在紙上計算出的最簡單的黑洞種類）在自然界中是否真的存在。這些理論解的研究只是在簡化假設下進行的，即假設重力坍縮的物質是一個完美的球體。問題是，由此產生的奇點是否僅僅是完美球面對稱性的產物——這在紙上確實有可能，但其本質上是荒謬的。正如彭羅斯在1965年的論文中所說，「偏離球面對稱性不能阻止時空奇點的產生。」換句話說，即使恆星扭曲了，它仍然會坍縮到某個點。

彭羅斯發現，空間和時間的維度會在一個「被困表面」內轉換角色。時間是指向中心的方向，因此逃離黑洞就像回到過去一樣不現實。彭羅斯和史蒂芬·霍金合力論證，類似的分析適用於整個宇宙：當物質和能量在大爆炸中密集聚集在一起時，奇點不可避免地存在。

「（物理學家）會爭論不休。他們會得到彼此不⼀致的答案，」美國阿肯⾊⼤學的天體物理學家丹尼爾·肯尼菲克（Daniel Kennefick）說。「原來他們沒有真正理解⽆窮⼤的結構，⽽彭羅斯解決了這個問題。」出於對幾何學和藝術家（例如M. C. 埃舍爾）的迷戀，彭羅斯還開發出了功能強大且直觀的圖表，用於捕捉以前無法觸及的時空動態。他的圖表壓縮了空間和時間，將無窮大放於頁面，而不是讓其延伸至遠處。「一旦它位於頁面上，你就可以研究它了，」進肯尼菲克說。「 彭羅斯是優秀的工具製造者。他發明了許多當時用來研究黑洞的工具，我們至今仍在使用。」

而到20世紀60年代末，「黑洞」一詞已成為公認的術語。

現實「黑洞」

20世紀50年代時，人們開始以一種完全不同的方式來觀察宇宙。也是這時，天⽂學家開始觀測到一系列前所未見的光源，能量遠遠超過正常恆星。但這不是唯一讓科學家們驚訝的，人們開始意識到，雖然這些小的星狀物的外表看起來就像恆星，但實際上凝聚了銀河系百倍的能量，而且看起來也不像星系。究竟是什麼能產生相當於一萬億個太陽的能量？科學家們把這類天體不可能達到的稱為"類星體"——"準恆星體"的簡稱。

大多數物理學家是什麼時候相信黑洞存在的，這確實很難準確地指出來，但在90年代中期，即使人們沒能直接觀察到黑洞，但認可了黑洞的存在。蓋茲和根澤爾對人馬座A *的獨立研究為此提供了具體的證據。

根據理論，銀河系中央必定藏著一個超大質量黑洞，但天文學家更注重觀察和證據。這意味著要實際找到黑洞，並觀察到處於運轉之中的黑洞。人馬座A *當時被懷疑是銀河系中心的超大質量黑洞。「通常當我們解釋天文觀測時，會留下更多的解釋空間，」 馬裡蘭大學帕克分校的天文學家蘇維·格扎裡說道。「銀河系中心之所以如此美麗，在於測量結果顯示人馬座A *是一個擁有400萬太陽質量的黑洞之外，是沒有別的可能性的。」因為人馬座A*若只是一個擴展的星團，那麼經過的恆星會被從多個方向拉過來，它們產生的軌道其實是不起眼的。只有當它是一個緊湊的超大質量黑洞，恆星才會以高速掠過。

圖片：諾貝爾官網獎

此時的黑洞研究，幸運的是，科學家們知道觀察它的確切位置，知道望遠鏡應該瞄在哪裡。但不幸的是，我們星系的中央是一個極其擁擠、繁忙的地方，聚集在銀河系中央遠比我們所處的位置要大得多，並且環境也是極為混亂嘈雜，要想從中找到無形的黑洞，好比在一個車水馬龍的大城市中找一個人，周圍是各種事物穿梭著。塵埃和氣體構成的龐大雲團漩渦阻擋了星系中央的可見光，讓這一切全都消失在人們的視線中，就好像我們想要觀察的物體全都被一張大毛毯籠罩著，周圍縈繞著一層厚厚的迷霧，只有特定波長的光線能夠穿過，由於沒有穿透塵埃視物的方法，銀河系中央的理論將仍然只是一個未經證實的大膽推測，但希望尚存。

這一代天文學家已經意識到，要解決這個問題，需要的是新一代的望遠鏡。蓋茲說自己幸運，她所處的年代正好擁有可以處理這個問題的科技，「就好像我正好拿著適當的錘子去找配套的釘子一樣。」在蓋茲和根澤爾之前，人們缺乏可以跟蹤這些軌道所需的精確空間解析度的望遠鏡。他們的兩個團隊都率先採用了消除地球大氣層模糊的方法。第一種技術被稱為散斑成像，涉及將多次短時曝光組合在一起，每次曝光都足夠短暫，以避免大範圍的大氣失真。然後，被稱為自適應光學的更先進方法使得人們可以進行更細粒度的觀測。在自適應光學中，雷射被發射到夜空中，形成一個「人造恆星」，並由望遠鏡同時對其成像。 （蓋茲的小組使用了夏威夷的凱克天文臺，而根澤爾則使用了智利的超大望遠鏡。）這顆人造恆星準確地揭示了大氣如何是如何扭曲圖象的。一種算法找出了如何抵消這些影響的方法，然後小型執行器使望遠鏡鏡的鏡面變形，從而實時消除畸變。

兩組團隊都瞄準了一顆名為S2的特殊恆星，S2是圍繞人馬座A *的短橢圓軌道運行的一顆恆星。在S2環繞銀河系中心運行的16年中，研究人員利用一種被稱為自適應光學的技術極大地改進瞭望遠鏡的測量結果，該技術使用雷射來校正光線通過地球大氣層時造成的模糊。在21世紀初，S2的軌跡以及其他幾顆近距離恆星的軌跡表明，人馬座A *測量值不到地球與太陽之間的距離的125倍，即使它擁有400萬個太陽質量，所以它只能是一個超大質量黑洞。從這時起，天文學家對黑洞進行了直接觀測，為幾十年來一直被認為只是愛因斯坦理論的數學產物的「黑洞」提供了實際證據。

2012年，格扎裡領導的團隊披露了觀察到的一次潮汐破壞事件。潮汐破壞是委婉的說法，其實是指黑洞撕開一顆距離太近的恆星內部。另一個星系中的恆星破壞事件看起來有點像一顆更亮更長的超新星，這要歸因於恆星的其餘部分被拋散。格扎裡說：「我曾經稱它為受害者的'指紋'，但在這種情況下，它就是恆星。」

圖片：人類首張黑洞圖片

兩個黑洞的融合，雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO），以及處女座實驗捕獲的引力波等事件則進一步證明了這些天體的存在。但迄今為止最令人震驚的證據，非那張由事件視界望遠鏡（EHT）拍攝的超大質量黑洞圖像莫屬。這個黑洞位於銀河系梅西耶87（M87）星系中心，具有數十億個太陽質量。在這張略顯模糊的照片上，一個塵埃和氣體構成的光環勾勒出了巨大的黑洞輪廓，這些塵埃和氣體正在「投餵」M87 星系中心的超大黑洞。這一圖象讓黑洞從幻想成為現實。

亞利桑那大學和EHT的天體物理學家費亞爾•厄澤爾說：「黑洞陰影是一個很好的測試，因為其他理論預測的結果與廣義相對論的預測有所不同。」月初，厄澤爾及其同事仔細觀察了EHT所見陰影的形狀，對廣義相對論進行了一些最精確的測量。到目前為止，這些測量結果與預測相符，但有可能隨著更高的精度，與廣義相對論的偏差會顯現出來，這些偏差暗示著更深層的基礎理論。

對於天文學家、天體物理學家和數學家來說，「黑洞」迷人又危險，它持續吸引著希望解鎖宇宙新秘密的研究人員，並且對旁觀者來說，也有著致命的吸引力。肯尼菲克說：「史蒂芬·傑伊·古爾德曾想知道，為什麼恐龍變得如此受歡迎？認為它們不應該獲得如此多的關注。」他表示，黑洞具有與恐龍相同的特徵：它們看上去很大，它們會吃東西，而且有些恐怖，但離人類很遙遠。

如果你回到過去，問身處2000年的蓋茲有什麼想法，她會告訴你，是「懷疑和興奮。 就是那種身處研究前沿的感覺，你必須不斷質疑你看到了什麼。」