2020 諾貝爾物理學獎 | 研究黑洞有什麼意義？

2020 年諾貝爾物理學獎授予黑洞相關研究，如何解讀三位獲獎者的貢獻？

2020 年諾貝爾物理學獎授予下列三位科學家，羅傑·彭羅斯、萊因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲。以表彰他們在天體物理學，特別是利用廣義相對論進行黑洞理論研究以及發現銀河中心超大質量黑洞方面取得的偉大功績。

羅傑·彭羅斯從理論上推演出黑洞的形成是廣義相對論原理的必然結論，因此獲得了今年一半的獎金。賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲則發現在銀河系中央存在一個不可見的超大質量天體，正是由於這一天體提供的龐大引力，銀河系的恆星們才能按照目前的軌道運行。至於這個超大質量天體是什麼，按照人類目前的理論水平，除了黑洞我們無法找出第二種解釋。因此，二位科學家分享了剩下的一半獎金。

物理學獎預測「翻車」，「四大領域輪轉」規律慘被打臉

不得不說，今年的諾貝爾物理學獎完全脫離了各界預測的軌道。之前根據四大領域（天體物理學、粒子物理學、原子分子及光物理學和凝聚態物理學）輪流轉的不成文規律，在去年天體物理學成就獲獎後，委員會連續第二年把獎項發給這一領域，實在出乎意料。而再向前推移，2017 年的引力波探測也屬於天體物理學範疇。這一領域四年三獲諾獎，實在是讓其他領域的物理學家們坐不住啊。

這一方面說明在諾獎委員會眼中，所謂「四大領域輪流轉」的規律可能根本不存在。另外一方面也說明目前的物理學界，在評委們心目中次序靠前的排隊項目並不太多，很多預測者們眼中的熱門並不完全符合物理學諾獎的核心主旨。

值得一提的是，蓋茲的獲獎使她成為了百年諾獎歷史上的第四位女性物理學獎得主，為這一獲獎者性別比例最為失衡的領域帶來了一絲新鮮氣象。另外三位女性獲獎者，除了大家比較熟悉的瑪麗·居裡外，還有 1963 年因原子核研究獲獎的瑪麗亞·格佩特 - 梅耶，以及 2018 年因在雷射物理學領域作出突破性貢獻而獲獎的唐娜·斯特裡克蘭。

那麼，三位科學家到底做了怎樣的工作？

用愛因斯坦的理論突破愛因斯坦的想像

彭羅斯是廣義相對論的集大成者，而這一理論的祖師爺正是愛因斯坦。愛因斯坦本人並不相信黑洞的存在，他認為這種擁有超大質量，可以吞噬一切的物體過於荒謬。而彭羅斯則利用巧妙的數學方法證明黑洞存在是廣義相對論成立所能推導出的必然結果。1965 年 1 月，彭羅斯證明黑洞確實能夠形成，並且詳細地對其進行了描述。他的理論認為，在黑洞中心存在一個奇點，在這裡所有已知的自然規律都將失效。

直到去世，愛因斯坦始終都對黑洞理論相當不感冒。即便沒有得到愛因斯坦的肯定，但黑洞的存在已經是現代天體物理學中廣為接受的真理之一。彭羅斯在廣義相對論方面的突出成就可以說是愛因斯坦之後的又一座高峰。

彭羅斯的成果從提出到得到諾獎認可足足過去了半個世紀之久，這中間經歷的無數質疑和抨擊，都隨著時間的消逝成為了獎盃背後的陰影。我們應當由衷感激彭羅斯為拓展人類視野做出的傑出貢獻。

銀河系中央的怪物

從上世紀九十年代開始，賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲各自帶領一支隊伍對銀河系中心的人馬座 A* 區域展開觀測。兩支隊伍不約而同地發現，這裡無時無刻不在上演著詭異的景象：這一區域雖然大小和整個太陽系差不多，但質量卻達到了四百萬個太陽那麼大。這裡似乎有一個巨大的天體，而且根本無法用光學方式進行觀測。在這一不可見的龐大引力源的作用之下，附近的恆星群們狂暴地圍繞其旋轉，速度令人瞠目。

利用當時世界上最大的天文望遠鏡，根策爾和蓋茲發展出了一種可以透過厚重的星際物質直接觀測銀河系中央的方法。同時，他們還通過對地球大氣帶來的成像扭曲進行矯正，進一步提升了上述方法的精度和觀測極限。最終，在他們的努力下，銀河系中央存在巨型黑洞的決定性證據呈現在了世人面前。

大門開啟，但外面的世界仍是無盡的未知

今天獲獎的三位物理學家用開創性的智慧為我們帶來了研究超大質量天體的全新方法，他們各自取得的成就也毫無疑問地為人類打開了通往新世界的大門。然而，人類卻發現仍然有無數的未知在門外等候。

例如，銀河系中央的黑洞有一個太陽系那麼大，在如此廣闊的空間內，黑洞有著怎樣的結構？它的內部是怎樣的世界？沿襲著怎樣的物理原理？這些物理原理和人類已知的物理原理有何異同？無數的疑問仍然等待物理學家們去思考和探索。

當然，有人會問：之前獲得諾獎的不少研究成果是我們有機會遇到的事物（比如C肝病毒和鋰電池），但是黑洞這種研究對普通人有什麼影響？

物理學是研究萬物之理的學問，研究物理學的目的就是在認識自然規律的基礎上對其加以利用，以造福人類生活。宇宙的起源和未來以及人類在其中的位置是人類所面臨的終極物理學命題，去年的地外行星探索和今年的黑洞相關研究相繼獲獎，充分說明了這類議題對於人類的重要意義。

如果你一定要問這類天體物理學的基礎研究有什麼用，我想答案便是——我們可能無法馬上利用天體物理學的知識給人們的生活帶來改觀，但我們不能接受自己永遠身處於無知的黑暗。