諾貝爾物理學獎變天文學獎？三學者研究黑洞獲獎，天體物理學10年5次折桂，華人科學家戴宏傑遺憾陪跑

記者丨盧伊 李鵬亮 編輯丨段文

繼3名英美科學家因發現C肝病毒拿下2020年諾貝爾醫學獎，北京時間10月6日下午，諾獎開出第二份獲獎名單。

3名分別來自德英美國的科學家，從300餘名候選人中脫穎而出，憑藉揭示「黑洞和銀河系最黑暗的秘密」，斬獲2020年諾貝爾物理學獎。

不過，此次諾獎可謂雙黃蛋，一半授予英國數學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），獲獎原因為「發現廣義相對論預測了黑洞的形成」，另一半則授予萊茵哈特·甘澤爾（Reinhard Genzel）和安德裡亞·蓋茲（Andrea Ghez），獲獎原因為「發現銀河系中心的超大緻密物體」。他們將共享1000萬瑞典克朗（約合人民幣763萬元）的獎金。

安德裡亞·蓋茲也成為諾貝爾物理學獎歷史上第4名女性得主，包括今年三位最新得主在內，諾貝爾物理學獎一共有216名獲獎者，但僅有4位女科學家。

另外值得注意的是，此前備受矚目的華人科學家戴宏傑遺憾陪跑，無緣成為諾貝爾物理學獎歷史上第7位華人得主。

諾獎獲得者

理論預測：與霍金共同證明黑洞存在

此次諾貝爾物理學獎頒給黑洞研究者，可謂爆出大冷門。

此前，曾有物理學者預測，考慮到諾貝爾物理學獎規律較為明顯，歷年獲獎者幾乎都在天體物理、粒子物理、原子分子與光物理和凝聚態物理學等四大領域中輪流登場，從概率上看，缺席3-4年的粒子物理和凝聚態物理學的中獎率更高。

但作為最難預測的獎項之一，今年諾貝爾評審委員會通過約3000名高校教授的推薦，並對250-350個提名者重重篩選，還是將大獎頒給天體物理領域。

由此，過去10年裡，天體物理學已5次斬獲諾獎，幾乎每隔一年就會獲獎一次，這一結果令人倍感意外，甚至被認為是「史無前例」的。

有物理學者認為，考慮到去年剛剛公布第一張黑洞照片，今年諾獎頒給「黑洞」也在情理之中。

「黑洞有時也挑戰了天體物理學的認知邊界，作為人類，我們對其仍有很多未知。」正如新晉諾獎得主蓋茲所說，黑洞始終是最為神秘也最難以理解的科學概念和研究領域之一。

事實上，遠在正式提出「黑洞」這一科學術語前，200多年前的人們就曾設想宇宙中存在一種質量巨大、引力強到連光也無法逃脫的天體。

此後，黑洞引發人們無數暇想，並為大量科幻作品提供靈感，但這一概念始終令人難以理解，甚至於一度無人知曉其樣貌如何。

而三位獲獎者，則分別從理論和操作層面證明和觀測了超大質量黑洞的存在。諾貝爾委員會評價稱，三人發現了黑洞這一宇宙中最奇特的現象之一，揭開「黑洞和銀河系最黑暗的秘密」。

諾獎直播

其中，現任牛津大學數學研究所數學物理研究組名譽教授的羅傑·彭羅斯從理論研究的角度，研究出了相對論與黑洞的關係，確定了宇宙中心有超大質量黑洞的存在。

嚴格來說，彭羅斯是個數學家，此次獲獎研究也是建立在數學基礎上的。

1915年，愛因斯坦創立了廣義相對論，為所有宇宙研究提供了基礎，該理論也融入了我們的生活。我們日常導航的GPS 的精確性就有賴於廣義相對論的計算。

但廣義相對論中出現了一個奇怪的物體——黑洞。黑洞質量極大，體積極小。和太陽質量相當的黑洞直徑僅有三公裡，和地球質量相當的黑洞，直徑僅有9毫米，和人的一個指頭一樣大。連創立廣義相對論的愛因斯坦本人都不太相信黑洞這麼奇怪的天體在現實中存在。

為了證明黑洞形成是一個穩定的過程，彭羅斯擴展了用於研究相對論的方法，用新的數學概念為黑洞的存在提供了證明。直到愛因斯坦去世十年後的1965年，彭羅斯與物理學家史蒂芬·霍金才終於發表論文證明了在廣義相對論下，黑洞可以形成並成功描述了黑洞的性質。這個時間和空間中的怪物可以從巨大形體的坍縮中形成，它吞噬一切進去其中的物質，並且黑洞是時空中捕獲所有進入黑洞的物質的怪物。任何物質甚至光線都不能逃脫。在黑洞中間隱藏著一個奇點，在那裡，所有已知的自然法則都會失效。

彭羅斯指出，黑洞是廣義相對論的直接結果，但在引力無限大的奇點，廣義相對論理論不再適用。目前理論物理學領域正在進行大量工作，努力創建新的量子引力理論。物理學的兩個支柱——相對論和量子力學在黑洞內部相遇，科學家們需要把它們結合在一起。

對黑洞的研究必將把人類對宇宙的理解帶上新的維度。

觀測驗證：恆星繞黑洞旋轉，開出玫瑰花結團

平分另一半諾獎的兩位科學家，萊茵哈特·甘澤爾和安德裡亞·蓋茲則可謂開創了黑洞觀測的先河。

過去50多年來，科學家一直認為包括銀河系在內的多數大型星系中心可能存在大量黑洞，但一直以來，都沒有直接的觀測結果作為驗證。

直到1990年代，任德國馬克斯·普朗克地外物理學研究所所長的甘澤爾和來自美國加州大學洛杉磯分校的教授蓋茲，分別領導各自的研究團隊，試圖穿越星際塵雲，看向銀河系中心。

望遠鏡越大，才能看得越遠越好。對此，甘澤爾利用位於智利的歐洲南方天文臺甚大望遠鏡VLT，它擁有4臺巨型望遠鏡及單個鏡片，直徑就超過8米。在美國，蓋茲則利用位於夏威夷的凱克天文臺，其鏡片直徑則超過10米，像一個馬蜂窩。

凱克天文臺內部（圖源凱克天文臺）

兩組研究殊途同歸，他們都專注於觀測銀河系中心一個名為「人馬座A*」的區域，它距離我們約26000光年，其中存在一個超大質量黑洞，相當於在與一個太陽系大小的區域內，塞進約400萬個太陽的質量。

更令人驚奇的是，在這個超大質量黑洞附近，科學家還觀測到一顆每隔16年就會環繞黑洞運行一次的恆星S2，且它每次距黑洞最近的點都會偏移，仿佛要在宇宙中劃出巨大的玫瑰花結，而不是一個簡單循環的圓圈，這在歷史上還是首次。

恆星圍繞超大質量黑洞的運動軌跡呈現玫瑰花結圖案，與愛因斯坦廣義相對論的預測幾乎一致（圖源ESO）

主持該項研究的甘澤爾曾表示，根據愛因斯坦廣義相對論，一個天體若圍繞另一個天體運行，其軌道並非封閉的，而是會在其運行平面上「進動」，就像「開花」一樣。而其觀測到恆星公轉軌跡，剛好符合廣義相對論的預測，也是該理論正確性的又一力證。

此後30餘年裡，兩組團隊不斷優化技術完成觀測，其結果仍保持了較高的一致性。諾貝爾委員會評價認為，「這一開創性工作，為揭示銀河系中心存在一個超大質量黑洞，提供了迄今最令人信服的證據。」

這也或許是最為優美的諾貝爾物理學獎成果。

值得一提的是，蓋茲與居裡夫人等科學家一道，成為該領域第4位斬獲諾獎的女性研究者。

「我非常重視作為女性科學家的責任。」發布會上，蓋茲希望此舉也能鼓舞其他女性科學家投入科研工作。

《鳳凰周刊》記者曾於數年前到過蓋茲觀測黑洞的凱克天文臺參觀，它位於夏威夷莫納克亞山頂峰，海拔超過4000米，一些體質欠佳者抵達天文臺時，會出現高原反應。該天文臺擁有兩座世界上口徑第二大的光學/近紅外望遠鏡，天文臺內溫度較低，可看到多位頭戴安全帽，身著工作服的研究人員穿梭，從天文臺向下俯瞰，還能看到多座觀測設備遍布山坡。

夏威夷凱克天文臺（記者盧伊攝）

最深奧的獎項但得主往往是名人，幾乎每20年就有華人獲獎

儘管對公眾而言，諾貝爾物理學獎動輒與宇宙、量子、粒子等相聯繫，似乎註定與學術、高大上、難理解劃等號。總之，「不明覺厲」就對了。

但這一獎項卻誕生了無數大家耳熟能詳的名人獲獎者，堪稱一部物理教科書。

從發現X射線的威廉·倫琴、開創了放射性理論的居裡夫人，到推動量子物理發展的普朗克、提出光電效應和相對論的愛因斯坦，以及被戲稱為「虐貓達人」的薛丁格，再到研究核反應的費米，和影響了粒子物理學發展的費曼，也許我們未必了解其生平經歷和科學貢獻，但他們的名字，絕對是耳熟能詳的。

而其成果，不僅推動了科學的快速發展，也或多或少改變著我們的日常生活。

更值得關注的是，諾貝爾物理學獎也擁有最多的華人獲獎者。

據統計，自1901年首次頒發諾貝爾獎以來，已有12位華人獲此殊榮，其中一半均來自物理學獎，可謂是華人學者「中獎率」最高的獎項。

早在1957年，生於中國、赴美研究的楊振寧和李政道，就憑藉「宇稱不守恆定律」的重大發現，成為有史以來首兩位獲得諾獎的華人科學家。當時，年僅31歲的李政道更成為諾獎史上最年輕的獲獎者，這一紀錄，直至2014年才被打破。

此後，幾乎每20年，就會有一名華人科學家斬獲此獎。

先是1976年，美籍華裔科學家丁肇中與美國物理學家伯頓·裡克特，因發現一種新的基本粒子，共獲物理學獎。當年的頒獎典禮上，他也成為第一個用中文發言的獲獎者。

丁肇中（左）

接著1997年開始，連續兩年間，美籍華裔學者朱棣文和崔琦，分別因「發展了雷射冷卻和捕獲原子的方法」和「發現一種帶有分數帶電激發的新量子流體形式」，先後與其他幾名外籍物理學家一起，分享諾獎。

值得一提的是，朱棣文還曾在2009年就任美國能源部長，成為繼趙小蘭後，第二位出任美國內閣首長的華人。

到2008年，被譽為「光纖之父」的英國華裔科學家高錕，也憑藉在光學通信領域的突破性成就，成為當年諾貝爾物理學獎在該領域的唯一獲獎者。2018年9月，他在香港逝世，享年84歲。

不過，高錕之後，諾貝爾物理學獎已有22年未見華人獲獎者了。而跳出學界，這些學者本人和研究領域的知名度，也並未因斬獲諾獎而有所提升。

直至今年，呼聲很高的美籍華人學者、美國科學院院士戴宏傑，一度被視為此次諾獎的有力競爭者。

這位生於湖南邵陽、考入清華的華人學者，曾師承諾貝爾化學獎得主理察·斯莫利。此後，他不僅成功研製出可充放電的鋁離子電池，更是碳納米管領域的領軍人物，曾被《科學觀察》雜誌評選為世界前100位化學家之一。

就在諾獎公布前兩周，戴宏傑和另一名美國物理學家剛因「碳和氮化硼納米管的製造和新奇應用」，獲得2020年科睿唯安「引文桂冠獎」，後者也一度有「諾獎風向標」之稱。至2016年，獲得此獎的278人中，43人終成諾獎得主。

不過，戴宏傑今年還是遺憾「陪跑」了，或許將在未來某個時候成為萬眾矚目的第7人。

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