物理學獎：理論與實踐的完美結合

本文刊載於《三聯生活周刊》2020年第42期，原文標題《物理學獎：理論與實踐的完美結合》，嚴禁私自轉載，侵權必究

2020年10月6日，三位科學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）、萊因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和安德裡亞·蓋茲（Andrea Ghez）分享了本年度的諾貝爾物理學獎。其中數學家和理論物理學家彭羅斯獲得一半獎金，兩位天文學家根策爾與蓋茲分享一半獎金。

主筆/苗千

羅傑·彭羅斯

曾經有人問已故的劍橋大學教授史蒂芬·霍金，如果有機會向愛因斯坦問一個問題，他會問什麼。霍金回答，他會問愛因斯坦為什麼不相信黑洞的存在。確實，即使是作為廣義相對論的開創者，愛因斯坦也沒有意識到這個理論所蘊藏的巨大力量。人們憑藉著廣義相對論理解宇宙，預測了很多神奇天體的存在，並且探索自身在宇宙中的位置。而三位物理學家羅傑·彭羅斯、萊因哈德·根策爾和安德裡亞·蓋茲也正是因為對於黑洞在理論和實踐兩個方面的探索，獲得了2020年諾貝爾物理學獎。

現在談到一些宇宙學名詞，比如「大爆炸」（Big Bang）和「黑洞」（Black Hole）等，人們都已經感覺習以為常，一些天文學名詞甚至進入了人們的日常用語。不過就在短短幾十年前，關於宇宙的歷史、宇宙是否存在一個起點，以及在宇宙中是否真的存在這種僅僅在數學上可能存在的神奇天體，還有著極大的爭議。想要證明黑洞的真實性，不僅需要在理論上給出無懈可擊的證明，更需要在實踐中做出發現。

早在18世紀，就有人想像存在一種自身引力大到連光都無法逃脫的天體。這種想像中的天體也就因此得名「暗星」（Dark Star）。時至1915年11月，愛因斯坦發表了描述時空性質的廣義相對論，很快就有人通過計算，得出可能存在一種極其緻密的天體的推測。但是宇宙中是否真的可能存在這樣的天體？當時就連愛因斯坦本人都不相信。

英國數學家和理論物理學家、牛津大學教授羅傑·彭羅斯「因為證明黑洞的形成是廣義相對論的直接結果」而獲獎。作為霍金的生前好友，現年已經89歲、研究興趣廣泛的彭羅斯成名已久。很多讀者是通過他寫的兩部科普著作《皇帝新腦》和《通向實在之路：宇宙法則的完全指南》認識了這位特立獨行的理論學家。

根據彭羅斯的回憶，1964年秋天，當時他正在倫敦伯貝克學院執教，在街道上散步時他腦海中忽然出現了一個關於「俘獲面」（Trapped Surfaces）的想法。由這個關鍵的概念可以得出，在某種情況下天體會因為自身重力形成塌縮，最終形成黑洞無可避免。這正是他完成關於黑洞的數學證明的關鍵一步。於是在1965年1月，也就是愛因斯坦去世10年之後，彭羅斯發表了一篇決定性的論文《引力塌縮與時空奇點》（Gravitational collapse and space-time singularities）。論文在廣義相對論的基礎上，利用高超的數學手段證明了在宇宙中必然存在著一種奇異的天體，而在它的中心包裹著一個曲率為無限大的奇點——一個密度無限大，一切物理定律都將失效的時空盡頭。

萊因哈德·根策爾

利用數學手段進行證明與實際觀測是兩項完全不同的工作。在1969年，英國天文學家唐納德·林登－貝爾（Donald Lynden-Bell）與馬丁·裡斯（Martin Rees）就曾經推測，在銀河系的中心可能存在著一個質量巨大的黑洞。而且這個黑洞很可能就是令當時的天文學家感到迷惑的、釋放出巨大能量的類星體的能量來源。這樣的推測在當時無法得到證實。受到天文觀測技術的限制，除了能夠探測到其發射的射電信號之外，人們無法清晰觀測到充斥著氣體和星際塵埃的銀河系中心位置。

從20世紀80年代開始，當時作為加州大學伯克利分校一名博士後研究員的根策爾就開始跟隨諾貝爾獎得主查爾斯·湯斯（Charles Townes）進行天文學研究。隨後他加入德國馬克斯-普朗克研究所，主要使用位於智利的新技術望遠鏡（New Technology Telescope）和甚大望遠鏡（Very Large Telescope）進行觀測，目標指向了銀河系的中心區域——發射出射電信號的銀河系的中心人馬座A*（Sagittarius A*），並且逐漸發現一些在銀河系的中心存在一個超巨型黑洞的間接證據。湯斯回憶，從80年代起根策爾就開發出了一些技術，可以精確測量銀河系中心區域一些恆星的質量和運行軌跡。多年來的努力，最終使根策爾的研究團隊在2002年取得了決定性的成果。

在美國加州大學洛杉磯分校進行研究的天文學家蓋茲則是從90年代開始，就主要在位於夏威夷的凱克天文臺（W.M. Keck Observatory）對銀河系的中心區域進行觀測。在進行天文學觀測的過程中，蓋茲對自適應光學（Adaptive Optics）技術進行了開創性的研究，消除地球大氣層對太空觀測帶來的影響。蓋茲的團隊最終在2000年和2003年發表了關於銀河系中心超巨型黑洞存在的決定性證據。根策爾和蓋茲領導的兩個研究團隊追蹤了2.6萬光年之外，在銀河系中心區域數千顆恆星的運動軌跡，在相互印證之下終於確定，在銀河系的中心存在著一個質量相當於400萬個太陽質量的超巨型黑洞。

安德裡亞·蓋茲

本屆諾貝爾物理學獎，算得上是對人類物理學史上一次理論研究和實踐觀測完美結合的慶祝。廣義相對論的出現，從根本上改變了人類認識宇宙、理解自身的方式。通過抽象艱深的數學工具，人類居然認識到宇宙的本來面目，這本身就令人感到不可思議。而通過在地球表面架設的主要由巨大鏡片構成的天文望遠鏡，居然可以讓人類從位於銀河系外圍一條懸臂的位置，一直望向2.6萬光年之遙的銀河系的核心區域，觀測到盤踞在那裡的超巨型黑洞，這也無法不讓人浮想聯翩。

人類也許永遠都無法到達銀河系的中心。不過我們可以想像，在那裡超新星頻繁爆發，距離中心黑洞太近的恆星甚至可能直接被撕裂，成為一個類星體，釋放出足以照亮整個星系的巨大能量。在重重灰塵和氣體的包裹之中，整個星系的中央，是一個扭曲了時空的超巨型黑洞，它不動聲色地吞噬一切距離它太近的物質。在黑洞的中心，則包裹著人類的未知——奇點。

（本文寫作參考了諾貝爾網站、加州大學洛杉磯分校網站、加州大學伯克利分校網站的相關報導）