黑洞研究終得諾獎，先驅獲獎實至名歸

北京時間2020年10月6日18時，諾貝爾獎委員會宣布2020年諾貝爾物理學獎授予英國科學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）、德國科學家萊茵哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和美國科學家安德裡亞·吉茲（Andrea Ghez），以表彰他們在黑洞理論和觀測研究領域內的傑出貢獻。彭羅斯的獲獎理由是「發現黑洞形成是廣義相對論的有力預言」，他獲得了總額為1000萬瑞典克朗（約合110萬美元）的獎金的一半；根澤爾和吉茲的獲獎理由是「發現了銀河系中心的超大質量緻密天體」，二人分享了另外一半獎金。

羅傑·彭羅斯（左）、萊茵哈德·根澤爾（中）和安德裡亞·吉茲（右）。圖/諾貝爾獎官網

這是諾貝爾物理學獎繼2019年（獎勵宇宙學和系外行星研究）之後再次獎勵與天文學相關的研究成果，同時也是最近4年來的第3次（2017年授予發現引力波的3位物理學家）。

黑洞的理論驗證

羅傑·彭羅斯爵士是英國著名的數學物理學家和科學哲學家。他於1931年生於英國科爾切斯特，1958年在劍橋大學獲得博士學位。他目前是牛津大學榮休教授、牛津大學沃德姆學院榮休院士以及劍橋大學聖約翰學院榮譽院士。

1784年，英國人約翰·米切爾（John Michell）首次提出可能存在密度大到連光都無法逃逸的天體。1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，為黑洞的存在提供了理論依據。此後不久，卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）和約翰尼斯·德羅斯特（Johannes Droste）分別發現了愛因斯坦方程的一個球對稱奇異解，預言了黑洞的存在。1963年，羅伊·派屈克·克爾（Roy Patrick Kerr）給出了軸對稱的旋轉黑洞解。1967年，美國物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）創造了「黑洞」（Black Hole）這個名詞描述這種緻密天體並沿用至今。

黑洞是廣義相對論的重要預言。2019年，科學家發布了黑洞的首張照片，被認為再一次驗證了廣義相對論。但是，提出廣義相對論的愛因斯坦本人，卻並不相信黑洞真的存在，他曾在1939年的一篇論文中試圖論證恆星不可能在自身的引力作用下塌縮。

但到了1965年1月，彭羅斯卻用巧妙的數學方法證明了黑洞可以形成，並且給出了詳細的描述。他還提出在黑洞的中心隱藏著一個奇點，所有已知的自然規律在奇點都會失效。他的革命性的文章被認為是在愛因斯坦之後對廣義相對論的發展作出了最重要的貢獻。

彭羅斯在數學物理研究中完成了一系列重要的工作，特別是對廣義相對論和宇宙學的研究影響深遠，在這些領域內有一系列以他命名的概念和定理。加州理工學院教授、2017年諾貝爾物理學獎得主基普·索恩（Kip Thorne）曾經這樣評價：「彭羅斯革新了我們用來分析時空性質的數學工具。」

彭羅斯在獲得諾貝爾獎前，已經先後獲得過多個重要獎項，包括沃爾夫物理學獎、狄拉克獎和阿爾伯特·愛因斯坦獎等。他和已故著名物理學家史蒂夫·霍金（Stephen Hawking）是重要的合作夥伴，二人因為提出了彭羅斯—霍金奇點定理而分享了1988年的沃爾夫物理學獎。1990年，二人還共同出版了《時空的本質》一書。除此之外，彭羅斯還積極投身科學傳播工作，出版過多部科普作品，包括《宇宙的輪迴》《通向實在之路》和《皇帝新腦》等。

黑洞的觀測發現

萊茵哈德·根澤爾於1952年生於德國的巴特洪堡，1978年在德國波恩大學獲得博士學位。此後，他先後在哈佛-史密森天體物理中心和加州大學伯克利分校等機構工作。1986年，他返回德國，先後在馬克斯·普朗克宇宙物理研究所和慕尼黑大學工作。根澤爾目前擔任德國馬克斯·普朗克地外物理研究所所長和加州大學伯克利分校教授。2008年，他曾經因為對銀河系中心超大質量黑洞的研究獲得了邵逸夫天文學獎。

安德裡亞·吉茲於1965年生於美國紐約，1987年在美國麻省理工學院獲得物理學學士學位，1992年在美國加州理工學院獲得博士學位，2004年當選美國科學院院士。吉茲目前擔任加州大學洛杉磯分校教授。

從20世紀90年代開始，根澤爾和吉茲分別帶領各自的研究團隊，關注銀河系中心一個叫作人馬座A*（Sagittarius A*）的區域。伴隨著精確度的提高，他們繪製了離銀河系中心最近的最明亮的恆星的軌道。這兩組科學家在進行測量後都發現，一個質量極大卻又看不見的天體牽引著這些恆星，使得它們以驚人的速度轉動。在這個不大於太陽系的區域裡，卻聚集著質量超過400萬個太陽的物質。

根澤爾和吉茲使用世界上最大的望遠鏡，開發出可以穿過巨大的星際氣體和塵埃雲而看到銀河系中心的方法。他們擴展了技術的極限，完善了新技術，從而可以補償地球大氣層對觀測帶來的影響。他們還製成了獨特的設備並用於長期研究。他們先驅性的工作為我們提供了迄今為止最有說服力的證據，證明在銀河系中心存在一個質量為400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。

黑洞研究的未來

吉茲是歷史上第四位獲得諾貝爾物理學獎的女性，此前三位分別是瑪麗·居裡（1903年）、瑪麗亞·格佩特—梅耶（1963年）和唐娜·斯特裡克蘭（2018年）。在通過電話得知自己獲得諾貝爾獎後，吉茲表示是「對宇宙的熱情」使自己成為一名天體物理學家。她同時表示：「獲得這個獎項我非常激動，作為第四位獲得諾貝爾物理學獎的女性，我非常認真地對待這份責任。我希望能夠激勵更多年輕女性一起研究物理學，這是一個充滿樂趣的領域。」

「今年獲獎者的發現開闢了緻密和超大質量天體研究的新天地。」諾貝爾物理學獎委員會主席戴維·哈維蘭德（David Haviland）在諾貝爾獎官網上這樣評價2020年的獲獎成果。同時，他也表示，這些奇特的天體仍然提出了很多有待解答的問題並激勵未來的研究。這些問題不僅包括黑洞的內部結構，同時包括如何在黑洞附近這樣的極端條件下驗證引力理論。

2017年諾貝爾物理學獎授予三位為發現引力波作出傑出貢獻的物理學家，而他們首次發現的引力波正是來自兩個黑洞合併的事件。2019年4月10日，科學家發布了首張黑洞照片。2020年9月23日，一個研究團隊在《天體物理學雜誌》（The AstrophysicalJournal）上發表了一項研究，公布了根據第一張黑洞照片而製作的動圖。這一系列重要的成果表明黑洞研究正在經歷一個黃金時代。

一個多世紀以來，黑洞已經從曾經離奇的概念變為天體物理學中最重要的研究方向之一。彭羅斯、根澤爾和吉茲三人的研究，幫助我們認識了宇宙中最神秘的天體，極大地拓展了我們對宇宙的認識。除此之外，已經去世的霍金以及現年86歲的克爾等人的工作也為我們探索黑洞作出了傑出貢獻。

這些先驅的工作逐漸為我們勾勒出黑洞的輪廓，但是正如哈維蘭德所說，黑洞研究仍然有很多工作要做。在理論方面，在奇點無限大的引力之下，廣義相對論不再適用。因此，人們正在構建新的量子引力理論以統一量子力學和廣義相對論。而在觀測方面，根澤爾和吉茲的工作則引領了新一代的對廣義相對論和它的最古怪的預言的精確驗證。在這樣一個黃金時代裡，我們可以期待更多有關黑洞的重要理論和發現不斷湧現，從而揭示黑洞的更多秘密。

南方周末特約撰稿 鞠強