2020年諾貝爾物理學獎權威解讀,你想知道的都在這裡!

剛剛，2020 年諾貝爾物理學獎將一半頒給了

羅傑·彭羅斯 (Roger Penrose)

以表彰其給出的黑洞形成的證明，並成為廣義相對論的有力證據。另一半由

賴因哈德·根策爾 (Reinhard Genzel)

安德烈婭·蓋茲 (Andrea Ghez)

共享，表彰他們在銀河系中心發現超高質量高密度物質。

1

2020 年諾貝爾物理學獎將一半的獎金頒給了羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）其證明了黑洞的形成，這成為廣義相對論的有力證據。

黑洞的概念其實早就有了，早在 18 世紀米歇爾還有拉普拉斯等人就討論過，一個具有與太陽同樣密度，而直徑為太陽 250 倍的明亮天體，它發射的光將被自身引力吸引而不能被我們看到。

出於這個樸素的想法，宇宙中最明亮的天體卻很可能是看不見的。在前面的論述中，拉普拉斯還給出了黑洞的史瓦西半徑公式

雖然這個公式確實是對的，和今天用廣義相對論推導得出來的一樣，但是當時拉普拉斯是通過把光假設成粒子，用萬有引力定律計算的，這個計算過程不太對。後來愛因斯坦發表了廣義相對論，很快史瓦西就根據理論場方程給出了史瓦西解。

第一張黑洞照片

黑洞的史瓦西解在當時並沒有引起多大重視，這個解說時空中間是一個奇點，密度無限大，這實在是超乎想像。但是現在第一張黑洞照片也已經被拍攝出來了，我們幾乎確信黑洞就是真實存在的。黑洞長什麼樣呢？對於史瓦西黑洞，黑洞中間就是一個奇點，這個點密度無限大，在史瓦西半徑處這個曲面就叫做事件視界，也就是說只要物質——包括光，進入到事件視界以內，就別想出來了。黑洞比較特殊，它內部的時空坐標是互換的，就是我們理解的半徑從表面一直延伸到奇點，這是一個時間坐標，只要進入到黑洞內部，就必須往奇點方向掉，所以嚴格來說事件視界以內的等半徑曲面是一個等時面，奇點處就是時間的終點。假如有一艘宇宙飛船它掉進黑洞的事件視界裡了，那他無論向哪個方向加大動力，都只能讓他更快地奔向奇點，直至相撞。

不過關於黑洞的形成，從這個抽象的概念提出以後就有人懷疑，說黑洞坍縮之後會不會不存在奇點呢？我們計算出來的奇點可能是理想中的情況，在一個高度對稱的情況下的結果，廣義相對論的場方程因為十分難解，所以人們確實會先考慮一些對稱的情況。但是真實情況，恆星坍縮很有可能不是高度對稱的，恆星可能是奇形怪狀的，每個地方坍縮的速度不一樣，所以最終有可能不是坍縮成一個點。

這件事兒就是彭羅斯最先給出證明的，他證明了對於史瓦西黑洞不管是不是高度對稱，恆星原來可能長的奇形怪狀的，都沒關係，最終都會坍縮成一個點，就是一個密度無限大的奇點。

後來是霍金在博士論文中把彭羅斯的證明進行了推廣，這是 1966 年的事兒，當年霍金 24 歲，他把彭羅斯的奇點定理推廣到了任意黑洞，正是這個奇點定理保證了奇點的存在，這個點在物理上的理解就是時間結束的地方，所有物質只進不出，所以後來人們又研究，那會不會存在時間開始的地方呢？所有物質只出不進唄？理論上存在，就是白洞，廣義相對論允許黑洞和白洞的存在。

但是黑洞可以由恆星坍縮形成，那白洞怎麼形成呢？這個問題現在還不是很好理解，所以物理學家其實討論的並不多。1970 年霍金和彭羅斯共同合作又寫了一篇論文，他們認為宇宙大爆炸就是開始於一個奇點，這個奇點就是一個白洞，並且在宇宙大爆炸初期還會形成一些質量很小的黑洞，不過這個觀點到現在為止還沒有觀測證據佐證。

2

五十多年來，物理學家一直認為，銀河系中心可能存在一個黑洞。自從 19 世紀 60 年代初發現類星體以來，物理學家就認為，在包括銀河系在內的大多數大型星系中可能會發現超大質量的黑洞。然而，目前還沒有人能解釋星系及其黑洞是如何形成的，並且這些星系及其黑洞的質量介於幾百萬到數十億之間。

一百年前，美國天文學家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）率先在人馬座的方向上確定了銀河系的中心。在後來的觀察中，天文學家在那裡發現了一個強大的無線電波源，並將那裡標記為人馬座 A*。到了 19 世紀 60 年代末，人們發現，人馬座 A* 佔據了銀河系的中心，並且銀河系軌道上的所有恆星都圍繞著它。

直到 19 世紀 90 年代，更大的望遠鏡和更好的設備才使我們對人馬座 A* 能進行更系統的研究。賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）各自開始了一項研究，他們試圖穿過塵埃雲觀測到銀河系的中心。他們與研究小組一起開發和完善了相關技術，搭建了專業的實驗裝置，並致力於長期研究。

圖三 銀河系，我們的星系，它的形狀像一個大約 100,000 光年大的光碟。它的旋臂由氣體和灰塵以及幾千億顆恆星組成。我們的太陽是這些恆星中的一個。

在天文學上，望遠鏡越大，對遙遠的恆星進行觀測的效果就越好。德國天文學家賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和他的小組最初使用的是 NTT，即智利 La Silla 山上的新型望遠鏡。後來，他們將觀測地點移至 Paranal 山脈（也在智利）的甚大望遠鏡設施 VLT。VLT 擁有四臺巨型望遠鏡，其大小是 NTT 的兩倍，具有世界上最大的單位望遠鏡，每個單位望遠鏡的直徑均超過 8 米。

在美國，安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）和她的研究小組使用位於夏威夷冒納凱阿山（Mauna Kea）上的凱克望遠鏡。凱克望遠鏡的口徑有近 10 米，是目前世界上口徑最大的光學/近紅外線望遠鏡。它由 36 個六邊形鏡片以蜂窩狀組合而成，可以分別控制這些鏡片來更好地聚焦星光。

因為我們生活在1000公裡厚的大氣環境中，所以無論望遠鏡有多大，它們所能分辨的細節都會有所影響。比如，望遠鏡上方的溫度比周圍環境高或低，它們上方的空氣會像透鏡一樣將光線折射到望遠鏡的鏡片上，使光波失真。這是星星閃爍的原因，也是其觀測圖像模糊的原因。

自適應光學的出現對於改善觀測至關重要。望遠鏡現在會配備了一個比較薄的附加鏡片，用來補償空氣的湍流帶來的影響並校正畸變的圖像。

近三十年來，賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）在遙遠的銀河系中心恆星混雜的環境中觀測恆星。他們不斷開發和完善他們的技術，並配備了更加靈敏的數字光傳感器和更好的自適應光學器件，使圖像解析度提高了千倍以上。他們現在能夠更精確地確定星星的位置，並長期進行跟蹤。

研究人員追蹤了眾多恆星中約 30 個最亮的恆星。恆星在距中心一光月半徑內移動最快，就像一群蜜蜂一樣在其中跳舞。而在該區域之外的恆星則以更有序的方式遵循其橢圓形軌道。

來自兩個不同團隊的觀測結果符合地非常好，這讓我們足以肯定在我們所處的銀河系的中心，存在著一個黑洞，其質量大約為 4 百萬倍太陽質量，其佔據的體積和我們的太陽系大小相當。

我們可能很快就能直接看到人馬座 A*。這個觀測活動就在計劃中，在一年以前，事件視界望遠鏡成功地對一個超大質量黑洞和其周圍環境進行成像。這個黑洞就是 M87 星系（又稱室女座A星系）黑洞，距離我們 5.5 千萬光年，看起來像在漆黑的眼眸外圍著一圈深紅的火。M87星系黑洞是如此巨大，比起人馬座 A* 要大 1000 倍。不過和也是在最近發現的相撞產生引力波的兩個黑洞相比，這倆還是輕得多。像黑洞一樣，在此之前引力波僅作為愛因斯坦廣義相對論的理論推演而存在，然後於 2015 年秋季被美國 LIGO 探測器首次探測（2017 年諾貝爾物理學獎）。

3

羅傑·彭羅斯證實了黑洞是廣義相對論的直接結果，廣義相對論在超強重力下仍然適用。理論物理領域中正努力構建一套新的量子引力理論。這必須要將物理領域中的兩大支柱相結合——相對論與量子力學，黑洞的內部必然是兩大理論共同作用的結果。

同時，觀測活動越來越靠近黑洞。賴因哈德·根策爾與安德烈婭·米婭·蓋茲的開創性工作為廣義相對論及其最古怪的預測提供了新一代精確檢驗。這些測量也很有可能為新的理論觀點提供線索。宇宙仍然有很多秘密與驚喜等著我們去發現。

#

參考資料

#1 內容經授權整理自媽咪叔視頻【天文21】黑洞有幾根毛？面積只增不減？霍金對於黑洞的貢獻#2,3 內容翻譯自諾貝爾獎官方介紹材料

編輯：NKXXX、Shiny、XX、kk