撰文 | 返樸
北京時間10月6日晚間，2020年諾貝爾物理學獎授予英國數學物理學家彭羅斯（Roger Penrose），表彰他對「發現黑洞形成是廣義相對論的有力預測」，以及根澤爾（Reinhard Genzel）和蓋茲（Andrea Ghez），表彰他們「發現銀河系中心有一個超大質量緻密天體」（大約為400萬太陽質量的黑洞）。由於去年諾貝爾物理學獎獎給了宇宙學和地外行星探測，而近年來物理獎從未連續發給同一領域，所以今年頒給黑洞讓人十分意外。
左起：彭羅斯（Roger Penrose）、根澤爾（Reinhard Genzel）和蓋茲（Andrea Ghez）
羅傑·彭羅斯的工作表明，廣義相對論預言了黑洞的形成。萊因哈德·根澤爾和安德裡亞·蓋茲則發現，銀河系中心有一個不可見的、質量極大的緻密物體控制著恆星的軌道。超大質量黑洞是目前唯一已知的合理物理解釋。
羅傑·彭羅斯（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。英國牛津大學教授。
萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel），1952年生於德國的巴特洪堡。1978年在德國波恩大學博士學位。德國馬普地外物理研究所所長，美國加州大學伯克利分校教授。
安德裡亞·蓋茲，1965年出生於美國紐約市。1992年從美國加州理工學院獲得博士學位。美國加州大學洛杉磯分校教授。
羅傑·彭羅斯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。不過愛因斯坦本人並不相信黑洞真的存在。黑洞是宇宙中質量巨大的怪物，會捕獲落入其半徑內的所有物質，沒有東西可以逃脫黑洞的引力束縛，即便是光。
卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）於1915年找到了愛因斯坦方程的一個球對稱奇異解，今天稱之為黑洞解。該文章於1916年1月發表，只比愛因斯坦的廣義相對論文章晚一個多月。這是除了平凡的平直空間解之外的愛因斯坦場方程的第一個精確解。這個解對應於一個沒有旋轉且不帶電荷的黑洞。史瓦西在的論文發表後不久就去世，死於他在一戰期間在德國軍隊服役期間染上了疾病。年輕的荷蘭物理學家約翰內斯·德羅斯特（Johannes Droste）在1916年使用更簡單、更直接的推導，獨立地找到了與史瓦西相同的解。這兩個工作告訴我們愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞的存在。直到1963年，29歲的紐西蘭數學物理學家Roy Patrick Kerr進一步從廣義相對論中推導出軸對稱的旋轉黑洞解。
幾十年來的天文觀測，人們基於不同的模型採用不同的觀測方法在宇宙時空中由遠及近推測出眾多大大小小的黑洞候選體，為它們分門別類，並探究它們可能的物理起源和形成途徑。
在廣義相對論的早期，人們對史瓦西解中發現的奇異性的性質感到困惑。在史瓦西的原始論文中，他將我們現在所說的事件視界放在他的坐標系的原點上。第二年，大衛·希爾伯特（David Hilbert）對奇異性結構進行了更完整的分析，確定了r = 0和r= rs（這對應於事件視界）時的奇異性。儘管人們普遍認為r = 0時的奇點是「真正的」物理奇點，但仍不清楚r = rs時的奇點性質，尤其是在結合量子場論的情況下。霍金的黑洞蒸發就是在事件視界附近發生的。為了紀念史瓦西，rs被稱作史瓦西半徑，對應於黑洞的大小。
圖1：黑洞的形成
萊因哈德·根澤爾和安德裡亞·蓋茲通過探測恆星環繞中心黑洞的周期來推斷中心黑洞的質量。他們各自領導了一個天文學家小組，從上世紀90年代初開始，他們就致力於研究銀河系中心一個名為人馬座A*的區域。距離銀河系中心最近、最亮的那些恆星的軌道被越來越精確地繪製出來。兩個研究小組的測量結果一致，他們都發現有一個質量非常大的不可見物體，它牽引著這一團恆星，使它們以令人眩暈的速度四處亂竄。在一個不比我們的太陽系更大的區域裡，聚集著大約400萬個太陽質量的物質。
圖2：銀河系、太陽系和銀河系中心的人馬座A*
利用世界上最大的望遠鏡，根澤爾和蓋茲開發出了新的方法，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。他們突破了技術的局限，改進了新技術來彌補地球大氣造成的觀測誤差，建造了獨特的儀器並致力於長期研究。他們的開創性工作為我們提供了迄今為止最為令人信服的證據，證明銀河系中心存在一顆超大質量黑洞。
圖3：恆星的軌跡揭示出，銀河系中心的有一個質量非常大的不可見物體控制著它們的軌跡。
諾貝爾物理學獎委員會主席David Haviland說：
「今年獲獎者的發現為緻密的超大質量物體的研究開闢了新的領域。但是這些奇異的物體提出了更多問題需要解答，並激勵著未來的研究。不僅是關於其內部結構的問題，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。」
眾所周知，羅傑·彭羅斯在數學物理上有極高的造詣。中國科學院物理研究所曹則賢研究員向《返樸》表示，彭羅斯是一個大神級的人物，他是一個數學家、物理學家和哲學家。彭羅斯的成就是全面的，而且著述頗豐，其名篇包括《皇帝的新腦》《通向實在之路》等等。我在德國讀博士的時候，大學圖書館裡所有的彭羅斯的書都被人偷走了。《通向實在之路》是數學、物理和哲學的集大成，歷史上可與之比擬的書少有。
「彭羅斯的成就很多，除了數學以及今年獲獎的工作，另一個耀眼的工作是彭羅斯鋪排。1974年，彭羅斯用風箏和飛鏢兩種單元，給出了具有五次轉動對稱性的平面鋪排方案。我個人認為，這為準晶概念的接受提供了學術心理基礎。Schechtman因為準晶的發現獲得了2011年度諾貝爾化學獎。」曹則賢說，「彭羅斯是我心目中的大神。他是集數學、物理與哲學成就於一身的真正的科學家。」
經典巨著《通向實在之路》
國家天文臺研究員苟利軍表示，之所以會發給今年的三位獲獎人，是因為彭羅斯最早跟霍金合作在理論上確認了黑洞中心存在奇點。後來根澤爾團隊最早觀測到了黑洞的存在，而蓋茲精確測量到了銀河系中心存在400萬倍太陽質量的黑洞。這三位獲獎人的工作是奠基性的，可以說，諾獎頒給他們體現了諾貝爾獎對最原創工作的重視。此外，苟利軍認為，如果霍金還活著，也有可能獲此殊榮。
國家天文臺研究員陳學雷表示很意外也很高興，「看來諾獎委員會現在更重視科學意義，而不再刻意學科平衡，當然也更說明了天文學現在充滿了活力和激動人心的發現。特別是把獎授予Penrose，說明也更加重視那些意義重大的理論工作。Penrose和霍金的工作也有許多相關，因此我想霍金在天之靈也會很高興吧。」中國科技大學物理學院天文系蔡一夫教授則說，「此刻我想緬懷一下霍金，他是果殼宇宙的無冕之王。」
如今，已有很多關於黑洞的研究，2017年諾獎更是頒給了探測引力波的工作，而那個引力波事件是基於假設黑洞的存在，所以有專家認為，發現黑洞的工作早該得獎。
清華大學物理系教授樓宇慶表示，基於上述原因，自己曾在2017年諾獎頒布後，向物理諾貝爾獎委員會成員Thors Hans Hansson表示，為何不先將諾獎授予發現黑洞的工作，黑洞是廣義相對論的一個獨特的物理預言。英國天文學家Donald Lynden-Bell曾於1969年在Nature上發表文章探討銀河系中心存在超大質量黑洞的可能性。根澤爾和蓋茲是通過探測恆星環繞中心黑洞的周期來推斷中心黑洞的質量。此外，今年諾貝爾獎再度發給天體物理領域，說明該領域有許多值得獲獎的工作。
苟利軍也表示，諾獎早該發給黑洞。2008年，香港的邵逸夫獎曾頒給根澤爾，表彰他發現並證明銀河系中心存在超大質量黑洞的傑出貢獻。現在我們知道，銀河系中心存在小型的黑洞，而恆星級黑洞的數目有上億個。這次物理獎頒發得應該說沒有什麼爭議。