2020年諾貝爾物理學獎被授予一位數學物理學家和兩位天文學家

2020年諾貝爾物理學獎被授予一位數學物理學家和兩位天文學家，表彰他們關於黑洞的發現。黑洞是宇宙中質量最大、最神秘的天體。

獎項的一半被授予英國89歲的數學物理學家Roger Penrose，他用理論證明了愛因斯坦的廣義相對論能推導出黑洞的存在——黑洞的引力大到連光都無法逃逸。

1000萬瑞典克朗（110萬美元）獎金的另一半被授予55歲的美國天文學家Andrea Ghez和68歲的德國天文學家Reinhard Genzel，兩人在銀河系中心發現了一個特大質量的緻密天體，這也是最為人熟知的黑洞。

Roger Penrose、Andrea Ghez和Reinhard Genzel（從左至右）因為關於黑洞的研究獲得了2020年諾貝爾物理學獎。來源：David Levenson/Getty, Christopher Dibble, ESO/M. Zamani

從上世紀90年代開始，Ghez和Genzel便各自領導團隊，繪製銀心附近的恆星運行軌道。他們從研究中得出結論：必然存在一個質量極大、不可見的天體控制著這些恆星毫無章法的運動。負責頒發該獎的瑞典皇家科學院表示，這個名為人馬座A*（Sagittarius A*）的天體是迄今證明銀心存在特大質量黑洞的最有力證據。

「物理學巨擘」

米蘭比科卡大學的天體物理學家Monica Colpi認為三位得獎者實至名歸。「Genzel和Ghez的觀測數據極其出色，他們觀測恆星繞該天體運動的能力也是獨一無二的。」他們的數據證明了人馬座A*的密度與特大質量黑洞是一致的。

天體物理學家Heino Falcke也表示贊同。「他們為證明星系存在這些黑暗中心做出了奠基性貢獻。」荷蘭拉德堡德大學的Falcke說。

Penrose是「理論物理學的一位巨擎」，影響了一代代科學家，英國巴斯大學天體物理學家Carole Mundell說。他是「真正有創造力的思想家，他從事的每一件事都充滿了無邊的想像力、樂趣和強烈的好奇心。」她說。

加州大學洛杉磯分校的Ghez是第四位獲得諾貝爾物理學獎的女性——這是女性得獎人數最少的諾貝爾獎項（見「諾貝爾獎得主男女不均」）。2018年，加拿大滑鐵盧大學的雷射物理學家Donna Strickland成為第三位獲得諾貝爾物理學獎的女性，在她之前的55年裡，無一女性獲得此獎。

從廣義相對論到幾何

在1965年的一篇開創性論文中，Penrose從廣義相對論出發，證明了黑洞可以在正確的條件下形成——這裡的條件是指形成一個能捕獲光的界面。在這個界面內，質量會發生不可逆的引力坍縮，產生一個能量密度無限大的區域，即奇點（singularity）。此前的研究人員曾發現，這種必然的結局只能在物理學上不成立的條件下出現。

Penrose的貢獻橫跨好幾個數學和物理學領域。他與圖形藝術家M. C. Escher的交流啟發他畫出了一些不可能的幾何物體。上世紀70年代，他開創了一套幾何理論：一種非周期性的二維密鋪，如今被稱為Penrose平鋪（Penrose tilings）。2011年摘得諾貝爾化學獎的「準晶體」（quasicrystal）天然擁有這種密鋪排列。

Penrose將非常巧妙的數學方法融入了多個物理學分支，目前正在和Penrose合作的加州理工學院數學物理學家Matilde Marcolli表示。「這是一種全新的思考方式。」她說。

60年代末，Penrose提出了「扭量空間」（twistor spaces）理論，嘗試讓廣義相對論和量子力學完全相容，巴基斯坦拉合爾政府學院大學的數學物理學家Asghar Qadir說。扭量空間會改變時空的根本性質。「他提出的想法是，不要把時空看作某種存在的基礎，而是一種新出現的事物。」Qadir在博士期間曾跟隨Penrose研究扭量理論。

此外，這位數學物理學家曾與已經過世的霍金合作，對奇點開展了進一步的基礎性研究。「我的感受是，給Penrose頒獎等於間接給霍金頒獎，這是在嘉獎兩人及其團隊對黑洞現象的理論物理學解釋做出的巨大貢獻。」德國科隆大學的天體物理學家Andreas Eckart說。

黑暗中心

如果說Penrose為黑洞的存在奠定了理論基礎，那麼Ghez和Genzel的團隊就是用有力的實驗證據證實了銀河系的中心就有這麼一個黑洞。

早在上世紀60年代，天文學家就開始懷疑大部分星系中心都有一個特大質量黑洞——質量超過太陽的100萬倍。銀河系自然是研究首選。射電觀測已經揭示了銀心的人馬座A*天體會釋放出高能輻射。其他觀測結果顯示銀心布滿了恆星，氣體高速流動。

Reinhard Genzel團隊觀測結果的延時視頻，顯示了這些恆星在20年的時間裡如何繞銀河系中心的黑洞運行。來源：ESO/MPE

但是，近距離觀測這些恆星卻是個挑戰，因為氣體與塵埃會遮蔽來自恆星的輻射。90年代開始，互為競爭對手的Ghez團隊和Genzel團隊，利用世界上幾臺最大的望遠鏡——分別是夏威夷莫納克亞山的凱克天文臺和智利帕拉納爾的甚大望遠鏡——以及前沿的觀測技術，突破了觀測挑戰。

其中的關鍵是，他們找到了在微弱光線下提高解析度和靈敏度的方法，Genzel團隊的前成員Eckart說。兩個團隊先利用斑點成像法，通過快照採集數據，修正地球大氣造成的圖像不清。隨後，兩個團隊採用自適應光學技術，這種技術利用一塊鏡面矯正畸變，從而延長曝光時間，增加進光亮和靈敏度，還能讓研究人員在三維空間中追蹤恆星運動。

幾十年來，兩個團隊利用這些技術測量了成千上萬個靠近銀心的恆星，並繪製了約30個恆星的運行軌道，最終將這個黑洞的質量確定在約400萬倍的太陽質量，並對其大小的上限達成了一致。

Eckart認為，銀河系中心存在特大質量黑洞的結論，是團隊合作以及「許多論文和項目」不斷積累的結果。目前仍在與Genzel合作的Eckart表示，Genzel的刻苦勤奮是眾所周知的，「他力求簡明，是位非常出色的科學家。」而根據《自然》2013年的一篇人物特寫，Ghez對高強度的工作也是甘之如飴，全身心付出。「她非常專注，解決問題的辦法很直接。」Eckart補充道。