2020年諾貝爾物理學獎花落「宇宙最黑暗的秘密」!

　　交匯點訊 6日下午，2020年諾貝爾物理學獎授予英美德三位科學家，獎金的一半授予英國科學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），另一半共同授予德國科學家萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和美國科學家安德烈亞·蓋茲（Andrea Ghez）。第一位在黑洞研究中驗證了廣義相對論，而後兩者因對於銀河系中心超大質量物體的研究而獲獎。

　　正如頒獎人所表示，今年的獎項關乎「宇宙最黑暗的秘密」——三位獲獎人都因在黑洞研究方面所做的卓越貢獻而獲獎。「黑洞」憑何吸走了今年諾貝爾物理學獎獎金？記者聯繫了南京大學天文與空間科學學院教授李志遠、南京大學天文與空間科學學院教授王祥玉、南京大學數學系教授郭學軍為我們科普解讀。

　　最短十年一周期，窺得「宇宙的秘密」

　　「這三位獲獎者都至少在該領域有30年的耕耘，在最近10年才慢慢到開花結果的時候。羅傑·彭羅斯的研究更遠遠超過三十年。」李志遠告訴記者，「黑洞」獲獎非常令人驚嘆，但又在情理之中。諾獎級別的成果往往都是耕耘數十年的重大成果和發現。「比如2019年拍下黑洞的『事件視界望遠鏡』比較轟動，但也沒有到拿獎的時候。」

　　李志遠告訴記者，以這三位當中最年輕的美國科學家安德烈亞·蓋茲為例， 1992年博士畢業於美國加州理工學院後，到加州大學做助理教授開始就從事黑洞研究。德國科學家萊因哈德·根澤爾就更早一些進入該領域，在美國著名的馬克斯·普朗克地外物理所研究所開展工作。「這兩位科學家各自領導著一個天文學家小組，自20世紀90年代初以來，他們一直專注於銀河系中心一個叫做人馬座a*的區域，所用的都是10米級大口徑、探測能力最強的望遠鏡，監測圍繞黑洞運轉的一些恆星，繪製出恆星的運行軌道。」

　　「這樣的軌道最短的周期也在十幾年左右，所以你必須要監測十幾年以上。」李志遠告訴記者，30年間軌道周期最短的已經走了將近兩圈，最外面的恆星軌道剛剛或是接近走完一圈，所以距離銀河系中央最亮恆星的軌道已經被越來越精確地繪製出來。

　　李志遠說，這兩組人的測量結果一致，在這些恆星運轉的軌道上，都發現了一個共同的「沉重」焦點。大約400萬個太陽質量聚集在一個不比我們的太陽系大的區域，牽引著恆星以令人眩暈的速度四處奔波。「這個超大質量物體，為我們提供了迄今為止黑洞在宇宙中真實存在的最有說服力的證據，這是一項開創性的工作。」

　　利用世界上最大的望遠鏡，兩位科學家也發明了一種觀測方法，「因為地面上的望遠鏡穿過大氣層看宇宙，需要克服大氣的湍流，他們通過雷射束來實時測定湍流的效應，並某種程度上抵消其影響，達到望遠鏡衍射極限，改進了觀測技術並致力於長期研究。」 李志遠說。

　　巧妙數學方法拓展廣義相對論，預測黑洞存在

　　萊因哈德·根澤爾和安德烈亞·蓋茲因「在銀河系中心發現了一個超大質量的緻密天體」而被授予諾貝爾物理學獎。而羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）被授予2020年諾貝爾物理學獎的理由是「發現黑洞形成是廣義相對論的可靠預測。」

　　南大天文與空間科學學院教授王祥玉告訴記者，作為牛津大學數學系名譽教授的彭羅斯是霍金多年的好友，在業界眼裡，他與其說是一位物理學家，不如說是一位數學家和數學物理學家，他對物理的最大的貢獻都和數學相關。

　　提出「預見」廣義相對論的愛因斯坦並不相信黑洞的存在，但彭羅斯通過嚴謹的數學邏輯證明，愛因斯坦的廣義相對論能夠有力地預測黑洞的形成。

　　彭羅斯建立的一個數學定理表明，基於幾個合理的假設（通過使用當時大部分物理學家並不熟悉的整體/拓撲技術），一顆坍縮中的、質量過大的恆星最後會在時空中坍塌形成一個奇點，並在其周圍形成一個封閉的空間，能夠把光也束縛在其中。在這個中心的奇點處，密度和時空曲率都被預期會變得無窮大的地方——為我們提供了現在稱之為「黑洞」的物體的一個圖像。愛因斯坦的經典廣義相對論將不再適用，黑洞可以形成。

　　在2019年，天文學家終於第一次直接捕獲了黑洞的照片，黑洞的存在被直接證明。正因為彭羅斯的突出貢獻，他獲得了今年的諾獎。

　　南京大學數學系教授郭學軍曾在2009年3月份，接受華英文教基金的資助，在美國哥倫比亞大學數學系訪學期間,聽過羅傑·彭羅斯的講座。郭學軍告訴記者，彭羅斯還是一位科學明星，他畫過不可能的「彭羅斯階梯」，還有「彭羅斯瓷磚」，能夠以永不重複的方式鋪滿在無窮平面上。以色列晶體學家丹尼爾·謝赫特曼對彭羅斯瓷磚進行了了深入的研究，在晶體中發現了類似的現象，2011年還獲得了諾貝爾獎。

　　「彭羅斯演講的一開始就與眾不同, 居然是手寫的紙張, 然後使用實物投影。我當時很驚訝，世界級的科學家怎樣會用這麼原始的方式來展示他的成果?」郭學軍回憶，彭羅斯的報告非常精彩，「但是我對他的稱之為『大爆炸』的理論不太懂，只能感覺到是一個很有意義的理論。沒想到今天他獲得了諾貝爾物理獎。」

　　南大與安德烈亞·蓋茲開展了合作

　　在三位獲獎者中，安德烈亞·蓋茲格外引人注目，這位美國加州大學洛杉磯分校物理與天文學系的教授，成為繼瑪麗·居裡（1903年）、瑪麗亞·格佩特-梅耶（1963年）和唐娜·斯特裡克蘭（2018年）之後，第四位榮獲諾貝爾物理學獎的女性。

　　李志遠告訴記者，在美國有段時間他曾在世界知名的銀河系中心組工作，安德烈亞·蓋茲是核心成員和領導者之一。「近十年我們與那邊一直保持學術交流，今年我們就有一篇論文與安德烈亞·蓋茲那邊合作。」當問到對她的評價時，李志遠說，安德烈亞·蓋茲首先是一位非常嚴肅的科學家，她發論文的周期都很長，但每一篇論文都是業界的標杆，可以說是30年將一個事情做到極致，她也很少去考慮其他方向的問題研究。

　　四年中獲得三次獎，很多人戲稱天文學成了最大贏家。李志遠說，這對於黑洞研究者包括天體物理學者來說，當然是一個激勵，但其實黑洞的挑戰性和吸引力一直很大。以視界望遠鏡來說，它第一個目標就是銀心的黑洞，「雖然首張照片是恆星M87，但主要是因為觀測角度和數據分析相對容易，未來我們可以期待銀心黑洞的照片的發布。」李志遠表示。

　　正如諾貝爾物理學委員會主席大衛·哈維蘭所說，「今年獲獎者的發現為緊湊和超大質量物體的研究開闢了新天地。但是，這些奇異的物體仍然提出了許多問題，這些問題需要解答，並激勵了未來的研究。」

　　交匯點記者 楊頻萍