IDG君寫在前面：
最近，2020 年諾貝爾物理學獎揭曉。三位獲獎者的科研成果都與「宇宙最黑暗的秘密」——黑洞相關。
今天我們生活在一個用技術支撐起來的高度發達的社會，而支撐我們這個社會的高度發達的技術，如果仔細檢查一下，你會發現，它們的基礎差不多都是物理學。
物理這個詞到底指的是什麼？在西方的語言裡，physical或者來自於希臘語的φυσι，都是自然的意思，也就是說，物理學是關於自然的學科。
物理學它到底厲害在哪兒？物理學是基礎學科，很多企業家比如馬斯克、任正非等都是物理學的忠實熱愛者。它提供我們對宇宙的認知。但是，對已經存在的、看得見、摸得著的東西進行認知。
在諾貝爾獎已走過的一個世紀裡，物理學經歷著學科的革命與隨之而來的無數偉大思想的碰撞。今天這篇文章為你梳理了百年來物理學的重大突破發現，和諾獎頒獎軌跡，希望能讓你體會到這門學科的偉大魅力。
北京時間10月6日18時許，瑞典皇家科學院宣布2020年諾貝爾物理學獎獲得者有三位：Roger Penrose，因為他發現了「黑洞形成的發現是廣義相對論的有力預測」；Reinhard Genzel和Andrea Ghez，因為他們「在銀河系中心發現了一個超大質量的緻密天體」。
黑洞和銀河系最黑暗的秘密
三位諾貝爾物理學獎得主分享了今年的諾貝爾物理學獎，因為他們發現了宇宙中最奇異的現象之一——黑洞。
Penrose指出，廣義相對論導致了黑洞的形成。Genzel和Ghez發現，在銀河系中心，一個看不見的、極其重的物體控制著恆星的軌道，目前唯一的解釋就是有超大質量黑洞的存在。
超大質量黑洞
Penrose在他的證明中使用了巧妙的數學方法，證明黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結果，雖然愛因斯坦自己並不相信黑洞真的存在。
1965年1月，也就是愛因斯坦去世十年後，Penrose證明了黑洞確實可以形成，並對其進行了詳細描述：在黑洞的核心，隱藏著一個點，在那裡，所有已知的自然法則都停止了，直至今日，他開創性的文章仍然被認為是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻。
人類歷史上第一張黑洞照片
Genzel和Ghez則各自領導了一個天文學家小組，從20世紀90年代初開始，他們就把重點放在了銀河系中心一個名為Sagittarius A*的區域上，逐漸繪製出越來越精確的最亮最靠近銀河系中心的恆星軌道，這兩組的測量結果一致，都發現了一個非常重的、看不見的物體，它牽引著這一團恆星，使它們以令人眩暈的速度四處亂竄，也就是說大約400萬個太陽的質量聚集在一個不比我們的太陽系大的區域裡。
利用世界上最大的望遠鏡，Genzel和Ghez開發了一種方法，可以穿透星際氣體和塵埃組成的巨大雲團，看到銀河系的中心。他們拓展了技術的極限，改進了新技術，以彌補地球大氣造成的扭曲，建造獨特的儀器，並致力於長期的研究。他們的開創性工作為我們提供了迄今為止最令人信服的證據，證明銀河系中心存在一個超大質量黑洞。
「今年獲獎者的發現為緻密和超大質量物體的研究，開闢了新的領域。但這些奇異的物體仍然提出了許多問題，需要得到答案，並推動未來的研究。不僅是關於它們內部結構的問題，還有如何在黑洞附近的極端條件下檢驗我們的引力理論的問題。」諾貝爾物理學獎委員會主席David Haviland表示。
這是諾獎連續兩年關注在天體物理學領域，去年諾獎頒布給了宇宙學理論和地外行星的發現者。
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銀河系中心區域令人驚嘆，這段視頻由ESO的甚大望遠鏡上搭載的HAWK-I紅外成像儀拍攝，視頻來自ESO。
2020諾貝爾物理學獎獲得者
Roger Penrose
研究領域：數學物理
Roger Penrose 1931年出生於英國科爾切斯特，1957年畢業於英國劍橋大學，後任英國牛津大學教授。
Penrose撰寫了探討基礎物理與人類（或動物）意識之間聯繫的一些書籍。在《皇帝新腦》（1989）一書中，他聲稱已知的物理定律不足以解釋意識現象。他提議新物理學所具有的特性應該能填補經典物理學和量子力學之間的理論溝壑。
Reinhard Genzel
研究領域：天體物理學
Reinhard Genzel 1952年生於德國的巴特洪堡，1978年德國波恩大學博士學位，後任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。
目前，Genzel正在將他們的研究推向越來越小的空間尺度，和越來越遠的距離，以觸達在「大爆炸」之後的最初幾十億年中形成的星系。研究使用的是新一代的10m級地面望遠鏡（例如Keck望遠鏡）以及自適應光學和幹涉測量的新技術，此外，近紅外成像和光譜學將在未來十年內放大到附近最深處的核心活躍的星系。這樣的高解析度技術將揭示中心黑洞是否存在，它們是如何被饋入，以及在那裡是否/如何形成恆星。
Andrea Ghez
研究領域：使用和開發高解析度的成像技術
Andrea Ghez 1965年出生於美國紐約，1992年畢業於美國加州理工學院，獲博士學位，後任美國加州大學洛杉磯分校教授。
這是百餘年來，諾貝爾物理學獎的第四位女性獲獎者。目前，她正在研究恆星形成和銀河中心的大黑洞。在她對恆星形成區域的研究中，她發現大多數年輕恆星都有伴星，並且大多數恆星的距離小於太陽系的大小。這就提出了許多有趣的問題：
緊密的伴星對這些年輕恆星周圍的行星形成有什麼影響？單顆恆星（例如我們的太陽）如何形成？什麼機制產生多顆恆星系統，什麼會影響它們的最終性質？
為了解決這些問題和其他問題，她用各種不同的望遠鏡來工作，主要觀察紅外波長的光源。
諾貝爾物理學獎近五年得主
2019年，諾貝爾物理學獎授予詹姆斯·皮布爾斯James Peebles,米歇爾·馬約爾和 迪迪埃·奎洛茲，以表彰在宇宙認知上的顛覆性貢獻。
2019年諾貝爾物理學獎3位獲獎者
2018年，美國科學家亞瑟阿斯金、法國科學家傑哈莫羅，和加拿大科學家唐娜斯特裡克蘭獲獎，理由是「在雷射物理領域的突破性發明」。
2017年，三名美國科學家雷納韋斯、基普索恩和巴裡巴裡什獲獎，理由是「在LIGO探測器和引力波觀測方面的決定性貢獻」。
2016年，三位英、美科學家大衛索利斯、鄧肯霍爾丹、麥可科斯特利茨獲獎，理由是「理論發現拓撲相變和拓撲相物質」。
2015年，日本科學家梶田隆章與加拿大科學家阿瑟麥克唐納獲獎，理由是「發現中微子振蕩現象，該發現表明中微子擁有質量」。
「數讀」諾貝爾物理學獎
一共頒過112次：
1901年以來，諾貝爾物理學獎共頒發過113次。其中有六個年份沒有頒發過諾貝爾物理學獎，分別是1916、1931、1934、1940、1941和1942年。
根據組委會的章程，如果候選人的貢獻沒有達到要求，那麼獎金將被留至下一年。如果第二年仍然沒有合適人選，獎金將被加入到基金會的初始資金中。在兩次世界大戰期間，諾貝爾獎較少頒出。
共有210人獲獎：
除去多次獲獎的人選以外，共210人次獲得了諾貝爾物理學獎。
25歲與96歲：在物理學獎得主中，有人登頂已是耄耋之年，但有人獲獎時才年逾弱冠。2018年，物理學獎金的一半授予了時年96歲的亞瑟阿斯金，使他成為諾獎史上最年長獲獎者；
諾貝爾物理學獎最年長的獲獎者 亞瑟阿斯金（Arthur Ashkin）
而1915年，年僅25歲的勞倫斯·布拉格與父親一起摘得桂冠。
諾貝爾物理學家最年輕的獲獎者
勞倫斯·布拉格（William Lawrence Bragg）
3位女性獲獎者：除了本次獲獎的Andrea Ghez，歷史上曾有3名女性獲得諾貝爾物理學獎，分別是「居裡夫人」瑪麗居裡、德裔美國物理學家瑪麗亞·格佩特·梅耶，和2018年的得主唐娜斯特裡克蘭。
其中，瑪麗居裡兩度獲得諾獎。1903年，居裡夫婦和貝克勒爾由於對放射性的研究而共同獲得諾貝爾物理學獎。1911年，居裡夫人因發現元素釙和鐳再次獲得諾貝爾化學獎，成為世界上第一個兩獲諾貝爾獎的人。
6座華人物理學獎盃：
在這張「星光熠熠」的成績單中，華人佔據著重要位置。在百餘年中，物理學獎是華人拿獎最多的獎項，共6位華人科學家獲此殊榮：李政道、楊振寧、丁肇中、朱棣文、崔琦和高琨。
改變經典物理學的
兩朵」小烏雲」
1901年，當第一屆諾貝爾物理學獎頒發時，經典物理學領域看上去正棲息在一個異常堅實的平臺上——早在1687年，牛頓的《自然哲學的數學原理》就奠定了經典力學，到十九世紀末，它已發展到相當完善的地步。
不過，「在物理學晴朗天空的遠處，還飄著兩朵小小的令人不安的烏雲」（源自開爾文1900年報告），這是指當時物理學還無法解釋的兩個實驗現象：熱輻射實驗，以及邁克耳孫-莫雷實驗。
正是這小小兩朵「烏雲」，讓經典物理學的局限性開始暴露，同時醞釀出了物理學20世紀的革命風暴。
量子力學的創立者是1918年獲得諾貝爾物理學獎的普朗克。而量子力學的集大成者，被認為是1933年拿到諾獎的狄拉克，1930年，他的《量子力學原理》綜合和發展了當時的研究成果。
1927年，第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開。因為發軔於這次會議的阿爾伯特·愛因斯坦與尼爾斯·玻爾兩人的大辯論，這次索爾維峰會被冠以「最著名」的稱號。 這張匯聚了物理學界智慧之腦的「明星照」則成了這次會議的見證。
但在經典物理向量子物理過渡的時期，也引發了物理學界一場意義深遠的辯論。在此段公案中，玻爾、玻恩、海森堡、泡利屬於一派，在他們對面站著的，則有愛因斯坦、薛丁格及德布羅意。這些大師，因其各自對量子物理的傑出貢獻而先後榮膺諾貝爾物理學獎。
1999年的諾貝爾物理學獎，頒給了荷蘭的胡夫特和韋爾特曼，同樣是以表彰他們在量子學領域的貢獻——闡明了物理學中弱電相互作用的量子結構。
那些改變歷史的
諾貝爾物理學獎
理論與基礎研究當然會對技術設備產生重要影響，但其中有一些，卻是劃時代的。
一個明顯的例子發生在1965年。三位美國科學家——肖克利、巴丁及布喇頓因對半導體的研究和發現電晶體效應獲得諾獎，正是他們的發現直接導致電子電晶體的革命。
1964年，巴索夫、湯斯和普羅霍羅夫同獲諾貝爾物理學獎，理由是在量子電子學領域的基礎研究做出突出貢獻，他們的理論成果導致了基於激微波—雷射原理建造的振蕩器和放大器。
此外，有不少受諾貝爾物理學獎青睞的「作品」，都在當時那個年代表現出了相當直接的技術應用實力。
1912年瑞典的達倫，因發明用於控制燈塔和浮標中氣體蓄積器的自動調節閥而獲獎；
1953年獲獎的荷蘭的塞爾尼克，其對相襯法的證實導致發明了相襯顯微鏡；
1986年，魯斯卡憑藉第一臺電子顯微鏡獲獎，同年和他分享這一獎項的，還有賓寧與羅雷爾。
這些實用技術類的發明，意義之深遠並不亞於理論上的突破。要知道，核物理和粒子物理領域的研究進展，就一直強烈地依賴於先進的技術——有時甚至成為其背後的驅動力。
近年來，有些技術類發明，也已被證明是當代重要的通信和信息設備：20世紀的最後的諾貝爾物理學獎的得主之一基爾比，他的發明就為現代信息技術奠定了基礎。
1958年，基爾比製作了第一塊集成電路——後來被稱為「晶片」，徹底地開闢了電子電路小型化和大批量生產的道路。他與這一獎項的另兩位得主阿爾費羅夫和克勒默，共同創造了一場人們耳熟能詳的「IT革命」…
晶片之父，2000年諾貝爾物理獎獲得者基爾比
基爾比於1958年發明的世界上第一個集成電路
在諾貝爾獎已走過的一個世紀裡，物理學經歷著學科的革命與隨之而來的無數偉大思想的碰撞。
尼爾斯·玻爾說：「與普通真理相對立的是錯誤；與偉大思想相對立的，則是另一種偉大的思想。」
正是因有這樣的發展與爭論、演繹與碰撞，物理學才得以日趨完善和縝密，從而成就了它在諾獎百年中的榮光。