珍曉推科普「第60期」解讀諾獎：黑洞的秘密

一個黑洞橫截面

當大質量恆星在自身引力作用下坍縮，就會形成黑洞。黑洞非常重，可以捕獲所有經過事件視界的東西，即使光也無法逃逸。在事件視界上，時間取代了空間只能向前進。時間的流逝承載了一切，指向黑洞內最遠的奇點——那裡密度無限，而時間有限。

光錐顯示光線在時間上向前和向後的路徑。當物質坍縮並形成黑洞時，穿過黑洞事件視界的光錐會向內轉向奇點。外部的觀察者永遠不會看到光線到達事件視界。

羅傑·彭羅斯（左） 賴因哈德·根策爾（中） 安德烈婭·蓋茲（右）

康德說，世界上有兩件東西能震撼人們的心靈：一件是我們心中崇高的道德標準；另一件是我們頭頂上的星空。

2020年，三位科學家因發現了宇宙中最奇特的現象之一——黑洞而獲得了今年的諾貝爾物理學獎。

當所有已知規律在其中失效

一個超重的怪物，會捕獲進入其「狩獵範圍」的所有物體，連光也不能逃脫。這就是黑洞。在許多文化形式中，黑洞一詞都有其更深的含義，但對於物理學家而言，黑洞始終是巨型恆星能量自然耗盡而死亡後的產物。

上個世紀，愛因斯坦的廣義相對論顛覆了所有的有關時空的概念；奧本海默計算出了一顆大質量恆星的劇烈坍塌。但這些，一直被認為是純粹的理論推測，直到一個人，首先成功地找到了一個現實的解，他就是羅傑·彭羅斯。他利用巧妙的數學方法表明，黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接預測結果，黑洞隱藏著不能被人理解的奇異之處，所有已知的自然規律在其中都會停止。在愛因斯坦去世10年後這一文章被發表，被視為對廣義相對論的最重要貢獻。

答案只有一個：超大質量黑洞

賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲各自領導著一組天文學家，成功繪製了離銀河系中心最近的最亮恆星的軌道，而這兩組都發現：有一種看不見、卻非常重的物體，使得這些恆星在周圍以驚人的速度旋轉。

這個看不見的物體，竟然有400萬個太陽質量那麼重，這究竟是什麼？根據引力理論，可能的解釋只有一個——超大質量黑洞。

根策爾和蓋茲使用世界上最大的望遠鏡，通過巨型星際氣體和塵埃雲看到銀河系的中心。他們擴展了技術極限，完善了新技術，補償了地球大氣層造成的扭曲，製造出的獨特儀器可被用於長期研究。他們的工作為我們提供了迄今為止最令人信服的證據，表明銀河系中心有一個超大質量黑洞，同時，也為新的理論見解提供了線索。

如果有什麼是永恆的？那就是未知

彭羅斯的研究告訴我們，黑洞是廣義相對論的直接結果，根策爾和蓋茲也對廣義相對論及其預測進行了精確檢驗。但在無限大的奇異性引力中，該理論不再適用。科學家正在創建新的量子引力理論。這必須將物理學的兩大支柱——相對論和量子力學結合在一起，而這二者，將在黑洞的內部相遇。

「不僅是關於它們的內部結構的問題，而且還有關於如何在黑洞緊鄰的極端條件下，測試我們的引力理論的問題。」諾貝爾物理學委員會主席戴維·哈維蘭德表示。他認為，正是今年獲獎者的發現，為研究緊湊和超大質量天體開闢了新天地，但是這些奇特的物體仍然向人類提出許多問題，激發著人們通過研究給出答案。