英國人羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），德國人萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和美國人安德裡亞·蓋茲（Andrea Ghez）獲得了今年的諾貝爾物理學獎，彭羅斯獲得了今年獎金的一半，根澤爾和蓋茲獲得了另一半。
為什麼這三名科學家獲獎？簡單來說，是他們因增進了我們對黑洞的認知而獲獎。再具體一點來說，彭羅斯是「因為發現黑洞的形成是對愛因斯坦廣義相對論的有力預測」，另兩位「是因為在銀河系中心發現了一個超大質量的緊湊物體」，即黑洞。
世界上有成千上萬的物理學家、天文學家在研究黑洞，發表了成千上萬論文，才使我們今天有對於黑洞的如此認知。許多人對黑洞的認知都作出了不小的貢獻，為什麼唯獨選擇了這三名科學家獲獎？下面，我們再詳細一點介紹他們獲獎的具體理由與來歷。
黑洞和銀河系最黑暗的秘密
1965年1月，即愛因斯坦去世十年，彭羅斯證明了黑洞確實可以形成並對其進行了詳細描述。愛因斯坦本人並不認為黑洞確實存在，彭羅斯使用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。在黑洞的心臟，隱藏著一個奇異之處，所有已知的自然規律都在黑洞中終止了。自愛因斯坦以來，他的開創性文章一直被視為對廣義相對論的最重要貢獻。
根澤爾和蓋茲各自領導著一組天文學家，自1990年代初以來，他們一直專注於銀河系中心一個名為射手座A*的區域。他們發現，一個隱形且極重的物體控制著我們銀河系中心恆星的軌道。超大質量黑洞是目前唯一已知的解釋。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，它拉動恆星的混亂，在不超過我們太陽系的區域中，大約有四百萬個太陽質量聚集在一起。
根澤爾和蓋茲使用了世界上最大的望遠鏡，開發出了方法，可以通過巨大的星際氣體和塵埃雲看到銀河系的中心。他們擴展了技術的極限，完善了新技術，以補償地球大氣層造成的變形，製造獨特的儀器，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令人信服的證據，表明銀河系中心有一個超大質量的黑洞。
引力將宇宙牢牢抓住
黑洞可能是廣義相對論最奇怪的結果。愛因斯坦在1915年11月提出自己的理論時，顛覆了以前所有關於時空的概念，該理論為理解引力提供了全新的基礎，引力最大程度地塑造了宇宙。從那時起，該理論為所有宇宙研究提供了基礎。
愛因斯坦的理論描述了宇宙中的萬物如何被萬有引力所控制。引力使我們保持在地球上，它控制著圍繞太陽的行星的軌道和圍繞銀河系中心的太陽的軌道。它導致星際雲中恆星的誕生，並最終在引力坍塌中死亡。引力使空間成形並影響時間的流逝。重物會彎曲空間並減慢時間，極重的物體甚至可以於封裝一小塊空間，形成一個黑洞。
我們現在稱之為黑洞的第一個理論描述是在廣義相對論發表幾周後才出現的。儘管該理論的數學方程式極其複雜，描述了重物如何使空間和時間彎曲。後來的研究表明，一旦形成了黑洞，它就會被事件視界圍繞，該事件視界像面紗一樣圍繞其中心的質量移動。黑洞永遠永遠隱藏在其事件範圍內。質量越大，黑洞及其視界就越大。
被困的表面解決了難題
是否可能形成黑洞，這是令彭羅斯困惑的一個問題。他後來回憶道，答案出現在1964年秋天，當時他與倫敦的一位同事一起散步，停下來聊一會兒穿過小街時，一個念頭浮現在他的腦海。那天下午晚些時候，他在記憶中搜尋了它。這個想法被他稱為「陷阱表面」，是他不知不覺中一直在尋找的關鍵，它是描述黑洞所需的關鍵數學工具。
被捕獲的表面會強制所有光線指向中心，而不管表面是向外彎曲還是向內彎曲。彭羅斯使用陷獲的表面可以證明黑洞總是隱藏著奇異性。它的中心的密度是無限的，到目前為止，還沒有理論來解決物理學中這個最奇怪的現象。
彭羅斯的奇異性定理證明的完成中，陷波表面成為中心概念。他介紹的拓撲方法現在對我們彎曲的宇宙的研究具有不可估量的價值。
黑洞控制恆星的路徑
即使我們看不到黑洞，也可以通過觀察其巨大引力如何引導周圍恆星的運動來確定其性質。根澤爾和蓋茲各自獨立領導的研究小組，探索我們的銀河系，它的形狀像一個大約十萬光年的平盤，由氣體和塵埃以及幾千億顆恆星組成；這些恆星之一是我們的太陽。
從地球上的有利位置看，巨大的星際氣體和塵埃雲遮蓋了大部分來自銀河系中心的可見光。紅外線望遠鏡和射電技術是最早使天文學家透過星系盤看到並成像中心恆星的圖像。根澤爾和蓋茲以恆星的軌道為指導，提供了最有說服力的證據，表明那裡隱藏著一個看不見的超大質量物體，黑洞是唯一可能的解釋。
專注於中心
五十多年來，物理學家一直懷疑銀河系中心可能存在黑洞。自從1960年代初發現類星體以來，物理學家就認為可能在包括銀河系在內的大多數大型星系中發現超大質量黑洞。然而，一直無人解釋星系及其黑洞是如何形成的。
一百年前，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，被稱為人馬座A*。在1960年代末期，很明顯，人馬座A*佔據了銀河系的中心，銀河系軌道上的所有恆星都圍繞著它。
直到1990年代，更大的望遠鏡和更好的設備才允許對人馬座A*進行更系統的研究。根澤爾和蓋茲各自從塵埃雲中窺探銀河系的中心。他們與研究小組一起，開發和完善了自己的技術，製造了獨特的儀器，並致力於長期研究。
只有世界上最大的望遠鏡才能注視遙遠的恆星，在天文學中，越大越好。根澤爾和他的小組最初使用的是NTT，即智利La Silla山上的新技術望遠鏡。他們最終將觀測結果轉移到也在智利位於Paranal山的甚大型望遠鏡設施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片鏡，每片鏡的直徑均超過8米。
在美國，蓋茲和她的研究小組使用位於夏威夷莫納克亞山（Mauna Kea）上的凱克天文臺。它的鏡子直徑近10米，目前是世界上最大的天文鏡。每個鏡子就像一個蜂窩，由36個六邊形部分組成，可以分別控制它們以更好地聚焦星光。
星星指路
不管望遠鏡有多大，它們能解析的細節總是有限，因為我們生活在深達100公裡厚的氣層底。望遠鏡上方或周圍的溫度變化，使大氣泡像透鏡一樣起作用，從而光線在到達望遠鏡鏡的過程中發生折射，使光波失真。這是我們看到星星閃爍的原因，也是天文學家的圖像模糊的原因。
自適應光學的出現對於改善觀測至關重要。望遠鏡現在配備了薄的附加鏡，可以補償空氣的湍流並校正畸變的圖像。近三十年來，根澤爾和蓋茲在銀河系中心遙遠的恆星混雜中跟隨著它們的恆星。他們不斷開發和完善這種技術，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，從而使圖像解析度提高了千倍以上，從而現在能夠更精確地確定星星的位置，並在夜間進行跟蹤。
理論與觀察互相追隨
兩支團隊的測量結果之間達成了極好的協議，得出的結論是，銀河系中心的黑洞應相當於約400萬個太陽質量，並塞入一個太陽系大小的區域。我們可能很快就會直接看到人馬座A*個，因為就在一年多以前，事件視界（Event Horizon）望遠鏡天文網絡成功地對超大質量黑洞的最接近周圍環境進行了成像。在距我們5千5百萬光年遠的銀河系Messier 87（M87）中，黑色核心巨大，周圍環繞著火環，比人馬座A*重一千倍。引起最近發現的引力波的碰撞黑洞要輕得多。像黑洞一樣，引力波僅根據愛因斯坦的相對論進行計算，在2015年秋季被美國LIGO探測器首次捕獲，因此贏得了2017年諾貝爾物理學獎。
霍金的遺憾
彭羅斯與霍金在一起工作了多年，專家們感嘆諾貝爾委員會花了這麼長時間才認可他們的工作這一事實。
巴黎天體物理學研究所和國家科學研究中心主任、盧克·布蘭奇（Luc Blanchet）說：「彭羅斯和霍金以前沒獲得諾貝爾獎，這是一種恥辱。」「有關黑洞的獎項是在霍金去世後的第二年開始頒發的，但是他們的工作是在1960年代進行的，自1980年代以來，其重要性就得到認可。」
英國天文學家，劍橋三一學院研究員馬丁·裡斯說，「彭羅斯和霍金是自愛因斯坦以來加深我們對引力了解的、做得比任何人都多的兩人。」 「可惜的是，這個獎項被拖延太久，以至於霍金不能與彭羅斯分享這份榮譽。」
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