黑洞，是宇宙中最奇特的現象之一。諾貝爾物理學獎於北京時間10月6日18時正式揭曉，三位科學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose；英國），雷因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel；德國）和安德裡亞·蓋茲（Andrea Ghez；美國）因在發現黑洞方面做出突破性的貢獻，共同分享此次獎項。
本文將介紹2020年諾貝爾物理學獎獲得者的主要成果，總字數6822，閱讀約21分鐘。
特別感謝清華大學天文系蔡崢老師，物理系研究生團總支，物理系、天文系、工物系等專業同學的鼎力支持！
羅傑·彭羅斯證明了黑洞是由廣義相對論導出得到的直接結果。但是該理論在黑洞中心奇點處的無限強引力極限下就會失效。目前，理論物理學家們試圖建立起量子引力理論來解釋這個問題。
萊因哈德·根澤爾和安德裡亞開創了對廣義相對論及其預言的新一代精確觀測方法。這些新的觀測方法將為未來的眾多天文理論研究提供直接觀測證明。在浩瀚無垠的宇宙中，還有太多太多的秘密和驚喜為人類所探索。
@清華大學天文系副教授 蔡崢
Genzel使用了亞毫米波射電幹涉儀，於1996年首次提出銀河系中心黑洞的質量在（2.5±0.6）*10^6個太陽質量的尺度上。通過高解析度的觀測手段，觀測銀河系中心周圍恆星的運動推測出銀河系中心黑洞的質量。
Ghez利用加州理工大學的凱克十米望遠鏡，在紅外波段更加精確地觀測了黑洞周圍恆星的運動，並且計算出了更加準確的銀河系中心黑洞質量。
Penrose通過對廣義相對論的研究，實現了對黑洞的預測，為黑洞研究打下了堅實的基礎，此次獲獎也是對他理論研究的肯定。
@ 清華大學工程物理系17級直博生 任贊
正如諾獎評選委員會所指出的那樣，對於緻密大質量天體的性質和演化的研究一直是宇宙學中的一個充滿挑戰但重要而有趣的問題。研究這些問題的意義，不僅僅表現在從實驗角度拓展了人類對宇宙的認識，更在於可以通過在極端條件（如黑洞附近）下精確檢驗現有的引力理論，來推動理論物理學的發展。
@清華大學物理系17級博士生 洪熹宇
黑洞的發現離不開天文物理學家從理論和實驗上的通力合作，獲獎者之一羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）從理論上通過精妙，富有創造性的數學技巧，證明了黑洞在理論上的可能性，這是自愛因斯坦提出廣義相對論以來，對廣義相對論最有意義和創造性的應用。兩位實驗天文物理學家萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德裡亞·格茲（Andrea Ghez）則在實驗技術上推陳出新，優化了天文觀測技術中地球大氣層信號的幹擾，並發明了新的天文觀測儀器，成功觀測到了位於銀河系中心處具有四百多萬個太陽質量的超重天體的存在證據。黑洞的發現，意義可謂是極其深遠，從技術上，它開創了對於遙遠天體更為先進，精確的高超觀測技術，極大拓展了人類的眼界。
從理論上，它是對廣義相對論的大膽應用，開闢了和黑洞相關的一系列學科，如黑洞物理學等，為人類提供了一個研究新奇數學物理規律，探索物理更普適性規律的絕佳研究平臺。許多在科幻片中才可以看到的巨大，貪婪的怪獸，原來就確確實實存在於我們熟悉的銀河系的中心，如同饕餮一般，大快朵頤著周圍的一切物質，甚至是連沒有靜止質量的光子也難逃它的魔掌。
「當我們在凝視深淵的時候，深淵也在凝視著你。」儘管黑洞距離我們如此遙遠，看似和人類毫無關聯，但銀河系中心黑洞的存在卻穩定了我們銀河系一百多億年的正常運作，和全人類的命運休戚相關。人類也從來沒有放棄過對宇宙更深次奧秘的努力探索。蘇子有言「哀吾生之須臾，羨長江之無窮。」 或許，我們的智慧與生命，同無垠的宇宙相比，是如此的有限，如此渺小。但我們永遠需要這麼一批人，敢於仰望星空，敢於浪漫地，自由地去想像，去創造。
@清華大學物理系19級直博生 韋力瑄
諾貝爾物理學獎在四年中第三次頒給了天文方向，難怪有人開玩笑說今年又是諾貝爾天文獎。笑談歸笑談，本次諾獎的成果在物理領域依然有著重大的意義：人類對黑洞的認識更近了一步。
在現代物理學研究當中，理論、實驗、計算是三條通向真理的主要途徑；而在天文學中，實驗即是觀測。這三條途徑在人類追求真理的過程中缺一不可，相互支持。三位獲獎者的學術工作都和黑洞相關，分別通過理論和觀測兩種途徑共同逼近黑洞的奧秘。
同樣令人嚮往的是，本次諾獎成果為我們指出了未來的宇宙學探究方向。19世紀末20世紀出，漂浮在經典物理大廈上空的兩朵烏雲分別引出了相對論和量子力學的發現，形成了現代物理學的絕對基礎，從而引啟了20世紀物理學的大發展。但兩大理論體系見無法聯通始終是現代物理學的遺憾。彭羅斯的理論並不適用於黑洞中心的極端引力環境，目前可行的解決方案是引入量子引力理論連結二者。相對論和量子力學的共融將是幾代物理學家夢寐以求的美麗圖景。
@清華大學天文系19級直博生 王森
Reinhard Genzel主要是因為觀測了非常接近銀河系中心的恆星運動，發現它們的速度能接近8000km/s，表明它們在圍繞一個質量巨大體積卻很小的緻密物體運動；Andrea M. Ghez用高解析度的成像技術研究了銀河系中心的恆星的運動。2012年她的小組確認了一顆名為S0-102的恆星，該恆星離銀河系中心非常近，根據該恆星的軌道運動，他們最終確認銀河系中心緻密天體的質量為（4.1±0.6）*106倍的太陽質量。
@清華大學物理系19級直博生 郭棟
廣義相對論是由阿爾伯特·愛因斯坦等人自1907年開始發展，最終在1915年基本完成。廣義相對論是基於廣義相對性原理並利用微分幾何來描述引力的理論。1905年愛因斯坦發表狹義相對論後，他開始思考如何將引力納入狹義相對論框架。在歷經多次彎路和錯誤之後，他於1915年11月在普魯士科學院上作了發言，並提出了著名的愛因斯坦引力場方程。此方程描述了處於時空中的物質是如何影響其周圍的時空幾何，並成為了愛因斯坦廣義相對論的理論核心。在引力場方程中，引力被認為由時空彎曲產生，用裡奇張量描述，也稱時空曲率張量。愛因斯坦引力場方程將時空曲率和描述物質及輻射的能量動量張量聯繫在一起。
上世紀初，廣義相對論被視為一種古怪的異論，但由於它和狹義相對論相融，並能夠解釋很多牛頓引力無法解釋的現象，因此它很明顯優於牛頓理論。愛因斯坦在1915年證明了廣義相對論能夠解釋水星軌道的反常近日點進動現象，其過程不需要任何附加參數。此實驗驗證是由亞瑟·愛丁頓爵士觀測到的日食時光線在太陽引力場中的偏折，其偏折角度和廣義相對論的預言完全相符，證實了廣義相對論的正確性。直到1960年至1975年間，廣義相對論才真正進入了理論物理和天體物理主流研究的視野，這一時期被人們稱作廣義相對論的黃金時代。
黑洞是時空展現出引力極端強大的區域，以至於沒有粒子，甚至光都無法逃逸。廣義相對論預測，足夠緊密的質量可以形成時空奇點，形成黑洞，該區域的邊界稱為事件視界。早在18世紀，約翰·米歇爾和皮耶-西蒙·拉普拉斯就考慮過引力場強大到光線都無法逃逸的物體。1916年，卡爾·史瓦西發現了廣義相對論現代黑洞模型特徵的第一個非平庸精確解——史瓦西度規，這個解是研究星體引力坍縮的最終階段，即黑洞的理論基礎。
在1963年， 羅伊·克爾為自轉黑洞找到了精確解。兩年後，埃茲拉·紐曼發現同時帶有電荷和旋轉黑洞的正對稱解。經歷了維爾納·以色列、布蘭登·卡特、和大衛·羅賓遜等人的工作，人們提出了無毛定理。無毛定理指出固定黑洞解完全可以由克爾-紐曼度規的三個參數：質量、角動量和電荷來描述。
起初，有人懷疑黑洞解的奇怪特徵是由於對稱性條件導致，並且在一般情況下不會出現奇點。尤其是抱有此種觀點的弗拉迪米爾·貝林斯基、伊薩克·瑪律科維奇·哈拉特尼科夫、和葉夫根尼·利夫希茨，他們嘗試證明黑洞奇點不具有一般性。然而，在1960年代後期，羅傑·彭羅斯和史蒂芬·霍金使用全局方法證明了奇點是一般性的，這便是著名的奇點定理。
奇點定理指出了時空中一旦形成事件視界，則必然在事件視界內部存在時空奇點，即時空奇點可以在巨型天體的引力塌縮中形成。奇點定理的證明是全局方法在廣義相對論中使用的範例。根據奇點定理，人們預測恆星質量的黑洞會在恆星的生命周期結束的坍塌時形成。黑洞形成後，它可以經由吸收周邊的物質來繼續生長。通過吸收其它恆星並與其它黑洞合併，可能形成數百萬太陽質量的超大質量黑洞。人們一致認為，大多數星系的中心都存在著超大質量黑洞。
在愛因斯坦去世十年後，英國理論家羅傑·彭羅斯證明了黑洞可以形成並描述其性質，儘管廣義相對論之父愛因斯坦不承認黑洞的實際存在。在它們的中心，黑洞隱藏著一個奇異點，所有已知的自然法則都在此失效。為了證明黑洞的形成是一個穩定的過程，彭羅斯需要擴展用於研究相對論的方法-用新的數學概念解決該理論的問題。彭羅斯的開創性文章發表於1965年1月，至今仍被認為是自愛因斯坦以來對廣義相對論的最重要貢獻。
愛因斯坦在1915年11月提出自己的理論時，顛覆了所有以前的時空概念。該理論為理解引力提供了全新的基礎，引力最大程度地塑造了宇宙。從那時起，這一理論為所有宇宙研究提供了基礎，並且在我們最常用的一種導航工具GPS中也得到了實際應用。愛因斯坦的理論描述了萬物如何被萬有引力所吸引。重力使我們保持在地球上，它控制著圍繞太陽的行星的軌道和圍繞銀河系中心的太陽的軌道。它導致星際雲中恆星的誕生，並最終在引力坍塌中死亡。引力使空間成形並影響時間的流逝。有質量的物體會彎曲空間並減慢時間；一個大質量的物體甚至可以切開並封裝一個空間，形成一個黑洞。廣義相對論發表僅幾周後，人們就首次對黑洞在理論上進行了描述。儘管該理論的數學方程式極為複雜，但德國天體物理學家Karl Schwarzschild（卡爾·史瓦西）依然給出了愛因斯坦場方程的一個在真空下的理論解，以描述重物如何使空間彎曲以及影響時間流逝。後來的研究表明，一旦形成了黑洞，它就會被事件視界包裹，該事件視界像面紗一樣圍繞其中心的質量移動。黑洞永遠隱藏在其事件範圍內。質量越大，黑洞及其視界就越大。對於相當於太陽的質量，事件視界的直徑近三公裡，對於像地球一樣的質量，事件視界的直徑只有9毫米。
儘管黑洞的概念在很多文化表述中都有了新的含義，但是對於物理學家來說，黑洞是巨型恆星演化的自然終點。物理學家羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）於1930年代末對大質量恆星的劇烈坍塌進行了首次計算：當比恆星重許多倍的巨型恆星耗盡燃料時，它們首先爆炸成超新星，然後坍塌成堆積非常密集的殘餘物，其重量如此之重以至於引力可以將所有東西拉到內部，甚至是光。
早在18世紀末，英國哲學家和數學家約翰·米歇爾（John Michell）以及著名的法國科學家皮埃爾·西蒙·德拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）便開始考慮「暗星」的概念。兩者都認為天體會變得如此緻密，以至於它們看不見-甚至光速也不夠快以逃避它們的引力。一個多世紀以後，當愛因斯坦發表他的廣義相對論後，物理學家通過解場方程得到了一些關於暗星的解。直到1960年代，這些解決方案一直被視為純粹的理論推測。其描述了理想的天體情況，其中的恆星及其黑洞完全是圓形且對稱的。但是宇宙中沒有什麼是完美的，羅傑·彭羅斯率先提出了有不規則形變以及缺陷的崩塌物質的解決方案。
1963年，隨著類星體（宇宙中最亮的物體）的發現，黑洞的存在問題再次浮出水面。近十年來，天文學家一直被神秘來源（如處女座星座中的3C273）的射線所困擾。可見光輻射最終揭示了它的真實位置– 3C273距離如此遙遠，射線向地球傳播了十億多年。光源距離地球如此之遠，那麼它的強度必須等於幾百個星系的光。它被命名為「類星體」。天文學家很快發現類星體是如此遙遠，它們在宇宙的早期就發出了輻射。這種不可思議的輻射從何而來？只有一種方法可以在類星體的有限體積內獲得大量能量-從掉入巨大的黑洞的物質中來。
在現實條件下是否會形成黑洞，這是令彭羅斯困惑的問題。正如他後來回憶的那樣，答案出現在1964年秋天，當時他與倫敦的一位同事一起散步，彭羅斯是伯克貝克學院的數學教授。當他們停下來聊一會兒穿過小街時，一個念頭浮現在他的腦海。那天下午晚些時候，他在記憶中搜尋了它。這個想法被他稱為陷俘面（trapped surface），是他不知不覺中一直在尋找的關鍵，它是描述黑洞所需的關鍵數學工具。
陷俘面迫使所有光線指向中心，而不管表面是向外彎曲還是向內彎曲。彭羅斯使用陷俘面可以證明黑洞總是隱藏著奇異性，即時空的邊界。它的密度是無限大，到目前為止，還沒有關於如何解決物理學中最奇怪現象的理論。「陷俘面」成為彭羅斯奇異性定理證明的中心概念。現在，他介紹的拓撲方法在研究彎曲的宇宙中具有不可估量的作用。
一旦物質開始坍塌並且形成了陷俘面，就無法阻止坍塌的繼續。就像物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）講故事一樣，這是沒有回頭路的。這個故事是關於生活在水下的蜻蜓及其幼蟲的：當幼蟲準備展開翅膀時，它承諾會告訴其朋友水面另一邊的生活。但是一旦幼蟲通過水麵並像蜻蜓一樣飛走，就沒有回頭路了。水中的幼蟲永遠不會聽到另一邊的生命故事。
同樣，所有物質只能沿一個方向越過黑洞的事件視界。然後，時間取代了空間，所有可能的路徑都指向內部，時間流將所有事物帶向了不可避免的奇點。如果您掉入了超大質量黑洞的視界，您將不會有任何感覺。從外面看，沒有人能看到你跌倒，通往視界的旅程將永遠持續下去。在物理學定律範圍內，不可能窺探黑洞。黑洞將所有秘密隱藏在事件視界之內。
即使我們看不到黑洞，也可以通過觀察其巨大引力如何引導周圍恆星運動來確定其性質。萊因哈德·根澤爾和安德烈亞·蓋茲分別領導著獨立的研究小組，他們探索我們銀河系的中心。從地球上的有利位置看，巨大的星際氣體和塵埃雲遮蓋了大部分來自銀河系中心的可見光。紅外線望遠鏡和射電技術是最早使天文學家透過星系盤看到並成像中心恆星的圖像。根澤爾和蓋茲以恆星的軌道為指導，提供了最有說服力的證據，表明那裡隱藏著一個看不見的超大質量物體，黑洞是唯一可能的解釋。
當大質量恆星在其自身引力作用下坍縮時，它形成的黑洞非常重，以至於捕獲了所有穿過事件視界的東西，甚至連光都無法逃脫。在事件視界中，時間代替了空間，只指向前方。時間流將所有事物帶向黑洞內的奇點，此處密度是無限的並且時間在此終結。
五十多年來，物理學家一直懷疑銀河系中心可能存在黑洞。自從1960年代初發現類星體以來，物理學家就認為可能在包括銀河系在內的大多數大型星系中發現超大質量黑洞。但是，目前尚無人解釋這些質量在幾百萬至數十億個太陽質量之間的星系及其黑洞是如何形成的。一百年前，美國天文學家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）率先在人馬座的方向發現了銀河系的中心。在後來的觀察中，天文學家在那裡發現了一個強大的無線電波源，被稱為人馬座A*。到了1960年代末期，人們發現人馬座A*佔據了銀河系的中心，銀河系軌道上的所有恆星都圍繞著它。直到1990年代，更大的望遠鏡和更好的設備才使人馬座A*得以更系統地被研究。萊因哈德·根澤爾和安德裡亞·格茲各自啟動了一些項目，試圖從塵埃雲中透視銀河系的心臟。他們與研究小組一起開發和完善了技術，建立了獨特的儀器，並致力於長期研究。
只有世界上最大的望遠鏡才能注視遙遠的恆星（天文學上望遠鏡絕對越大越好）。德國天文學家萊因哈德·根澤爾和他的小組最初使用的是NTT，即智利La Silla山上的新技術望遠鏡。他們最終將觀測資料移至Paranal山脈（也在智利）的甚大型望遠鏡設施VLT。VLT擁有四臺巨型望遠鏡，其大小是NTT的兩倍，是世界上最大的整體鏡，直徑均超過8米。在美國，安德裡亞·蓋茲（Andrea Ghez）和她的研究小組使用位於夏威夷山上的凱克天文臺。它的鏡體直徑近10米，目前是世界上最大的鏡體。每個鏡體都呈蜂窩狀，由36個六邊形的部分組成，可以分別控制以更好地聚焦星光。
儘管望遠鏡很大，但由於我們位於一片接近100公裡深的大氣「海」底部，所以它們可以解析度總是有限的。望遠鏡上方的大氣泡比周圍的環境溫度或高或低，它們像透鏡一樣，將光線折射到望遠鏡的鏡體上，使光波失真。這就是恆星閃爍的原因，也是其圖像模糊的原因。自適應光學的出現對於提高觀測質量至關重要。望遠鏡現在配備了薄的附加鏡，可以補償空氣的湍流並糾正畸變的圖像。近三十年來，萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德裡亞·格茲（Andrea Ghez）一直跟隨著我們銀河系中心遙遠的恆星團。他們不斷開發和完善該技術，並配備了更加靈敏的數字光傳感器和更好的自適應光學器件，從而使圖像解析度提高了千倍以上。現在，它們能夠更精確地確定恆星的位置，並在夜間進行跟蹤。研究人員跟蹤了眾多恆星中約30個最明亮的恆星。恆星在距中心一光月半徑內移動最快，像一群蜜蜂在舞蹈一樣。另一方面，在該區域之外的恆星則以更有序的方式遵循其橢圓形軌道（圖4）。
一顆稱為S2或S-O2的恆星在不到16年的時間內完成了繞銀河系中心一周。這是一個非常短的時間，因此天文學家能夠繪製它的整個軌道。我們可以將其與太陽進行比較，太陽需要2億多年的時間才能完成繞銀河系中心的一圈。當我們開始當前這一圈的時候，恐龍正在地球上行走。
我們的銀河，從上方看像一個大約直徑100,000光年的光碟。它的旋臂由氣體和灰塵以及幾千億顆恆星組成。這些恆星之一就是我們的太陽。
理論和觀測結果相互之間的一致性非常好，結論是：我們銀河系中心的黑洞應相當於約400萬個太陽質量，並被塞進了一個與我們太陽大小相同的區域系統。我們可能很快就會直接看到人馬座A*，這將是下一個超大質量黑洞，因為就在一年多以前，Event Horizon望遠鏡網絡成功地成像了離它最近的周圍環境。在距我們5500萬光年遠的星系Messier 87（M87）中，有一個周圍環繞著火環的黑洞。M87的黑色核心巨大，比人馬座A*重一千倍，比引起最近發現的引力波的碰撞黑洞也要重得多。
羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），英國牛津大學教授。1931年出生於英國科爾切斯特，1957年英國劍橋大學獲得博士學位。
萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel），1952年生於德國的巴特洪堡。1978年於德國波恩大學獲得博士學位。德國加興馬普地外物理研究所所長，美國加州大學伯克利分校教授。
安德烈亞·蓋茲（Andrea Ghez）現任美國加州大學洛杉磯分校教授。1965年出生於美國紐約，1992年於美國加州理工學院獲博士學位。
參考文獻
[1]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/press-release
[2]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BB%A3%E7%BE%A9%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96
[3]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%91%E6%B4%9E
特別鳴謝｜蔡崢老師 物理系研團總支
文稿｜韋力瑄 洪熹宇 黃國俊 王均東 郭 棟 李健睿
任 贊 王 森 周聖鈞 邱雨浩 李豔文 張陳翔
編輯｜ 高松齡 周聖鈞 邱雨浩
審核｜趙 鑫 張可人 韋力瑄 陳豔玲