諾獎解析|愛因斯坦不信的廣義相對論黑暗面,就在銀河系中心

10月6日，2020年諾貝爾物理學獎花落三位黑洞發現者：羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）、萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德裡亞·格茲（Andrea Ghez）。

三位獲獎者因發現了這一宇宙中最奇特的現象，將獲得1000萬瑞典克朗獎金（約合760萬人民幣）。其中，彭羅斯因「發現黑洞形成是廣義相對論的堅實預言」擁有一半貢獻，根澤爾和格茲則因「發現我們銀河系中心有一個超大質量緻密天體」而分享另一半。

諾獎官網新聞稿用「黑洞和銀河系中最黑暗的秘密」來形容今年的獲獎成果。諾貝爾物理學獎委員會主席大衛·哈維蘭（David Haviland）表示：「今年獲獎者們的發現為緻密和超大質量天體的研究開闢了新天地。但是，這些奇異天體仍有許多待解之謎，激勵未來研究。不僅有關於它們內部結構的問題，還有如何在黑洞附近的極端條件下檢驗我們的引力理論。」

羅傑·彭羅斯於1931年出生於英格蘭埃塞克斯，1957年博士畢業於英國劍橋大學，現為英國牛津大學數學系W. W. Rouse Ball名譽教授。他在數學物理方面的工作對廣義相對論與宇宙學方面具有高度貢獻，曾以彭羅斯·霍金奇點理論與霍金共享1988年沃爾夫物理學獎。

萊因哈德·根澤爾於1952年出生於德國巴特洪堡，1978年博士畢業於德國波恩大學，現為馬普地外物理所所長、美國加州大學伯克利分校教授。

安德裡亞·格茲1965年出生於美國紐約，1992年博士畢業於美國加州理工學院，現為美國加州大學洛杉磯分校教授。

超越愛因斯坦

1915年11月，愛因斯坦的廣義相對論橫空出世，它從最大尺度上描述我們的宇宙，顛覆了以往所有的時間和空間概念。廣義相對論為人類理解引力奠定了新的基礎，也成為了此後所有宇宙學研究的基石。宇宙中的一切事物都受到引力的控制：引力把我們固定在地球上；引力控制著行星圍繞太陽、太陽又圍繞著銀河系中心；引力促成恆星生於星際雲，又死於引力坍塌。重質量使空間彎曲，令時間流逝變慢。

而一個非常重的質量甚至可以切出一塊空間形成黑洞——就在愛因斯坦將複雜的數學方程組發表數周之後，德國天體物理學家卡爾·施瓦茨柴爾德就在一戰的東線炮火中算出一個極其怪異的解。

一旦黑洞形成，它就會隱藏在自己的事件視界之內，能吞噬進入視界的一切，包括光。質量越大，事件視界就越大，如果黑洞質量與太陽相當，視界直徑約為3公裡。

這個概念其實並不新奇。早在18世紀末，英國哲學家、數學家John Michell和法國科學家Pierre Simon de Laplace就認為天體可以變得極其稠密，連光速都不足以逃離它們的引力。後來，物理學家們也普遍認為當大質量恆星壽命走向盡頭，發生超新星爆炸，然後就會坍縮成極其緻密的殘骸。

不過，愛因斯坦本人並不相信這種質量驚人的怪物真的存在。在彭羅斯之前的這些解都被視為理想條件（恆星和黑洞都是正球體、完全對稱）下的紙上談兵。

畢竟，宇宙沒有東西是真正「完美」的，而彭羅斯是第一個成功在不理想的條件下給出現實解的人。

1965年1月，在愛因斯坦去世10年後，彭羅斯證明了黑洞確實可以形成，並進行詳細描述。這篇開創性的文章至今被視作愛因斯坦之後對廣義相對論的最重要貢獻。

俘獲面是個單向道

為了證明黑洞的形成是一個穩定的過程，彭羅斯需要發展廣義相對論的研究方法，也就是用新的數學概念來解決理論問題。

彭羅斯事後回憶道，那是1964年的秋天，他還是伯克貝克學院的數學教授，正在與同事一道散步。正要穿越一條小徑時，他們暫時停止了交談，一個想法划過彭羅斯的腦海。

那天午後，他從大腦裡翻出了這個念頭：「俘獲面」（trapped surface）。這就是彭羅斯苦尋多年的數學工具。俘獲面強制所有光指向一個中心，無論這個面是向內還是向外彎曲。

利用俘獲面，彭羅斯可以證明黑洞總是藏有一個奇點，一個時空結束的邊界。它的密度是無限的，所有已知的自然法則到此終止。

大質量恆星在自身重力下坍塌，形成黑洞，俘獲一切進入事件視界的物質，包括光。

一旦物質開始坍塌成一個俘獲面，一切都再不可挽回。正如諾獎得主錢德拉斯卡講述的一個印度寓言：蜻蜓的幼蟲活在水下，當它們準備展翼之際，會承諾朋友們，將來告知水面上的生命是什麼樣子。然而，一旦幼蟲成為蜻蜓，飛出水面，就再沒有回頭路，水中的幼蟲永遠聽不到對面的故事。

同樣，所有物質只能從一個方向穿過黑洞視界，然後時間代替了空間，條條可能的路徑都指向內，時間的潮流把一切都帶向不可避免的奇點。

從外面看，沒人能看到你跌入一個超大質量黑洞的過程，根據物理定律，窺視黑洞絕無可能。黑洞把所有的秘密都藏在事件視界後面。

銀河系中心的秘密

儘量看不到黑洞裡面，但我們可以觀察黑洞巨大的引力牽引著周圍恆星運動。自1960年代以來，物理學家們就推測包括銀河系的大多數大型星系中都存在超大質量黑洞。

而銀河系中心一個叫做人馬座a*的區域，正有一個強大的無線電源。從我們地球的角度來看，巨大的星際雲和塵埃遮住了大部分從那裡射出來的可見光，但紅外線望遠鏡和射電望遠鏡能幫助天文學家們「透視」。

銀河系中心和太陽系的相對位置

根澤爾和格茲各自領導著一個天文學家小組。自20世紀90年代初以來，他們發展改進觀測技術、設計建造獨特的儀器，開始系統性地長期調查人馬座a*區域。

天文學界有一條顛撲不破的真理：望遠鏡越大越好。根澤爾團隊使用的是智利的甚大望遠鏡（VLT），單片鏡直徑超過8米。格茲團隊則使用夏威夷的凱克望遠鏡，鏡面直徑約10米，每一面都像一個蜂巢，由36個六角形組成，可以單獨調控以聚光。

然而，望遠鏡上方的大氣總會造成幹擾，使得星光扭曲、圖像模糊。兩個團隊持續開發和更新自適應光學，將圖像解析度提高了超過1000倍。

研究人員發現，在銀河系內中心一光月半徑內的恆星移動得最快，像群蜂亂舞。在這個區域以外的恆星則呈現出更為有序的橢圓運動。一顆名為S2的恆星在不到16年的時間內就轉了一圈，而太陽要花2億多年。

銀河系中心一些恆星的軌道，最靠近人馬座a*的S2速度驚人。

隨著銀河系最中央區域那些最明亮恆星的軌道越來越精確地呈現在科學家的眼前，這兩組人的測量結果走向一致：一個極其沉重、看不見的物體牽引著恆星，令它們以眩目的速度繞行。約等於400萬個太陽的質量聚集在一個不比太陽系大的區域。

黑洞是唯一可能的解釋。

我們可能很快就能看到人馬座a*黑洞。就在一年前，事件視界望遠鏡組織成功地拍攝到了5500萬光年外的M87星系的中心黑洞。

彭羅斯指出黑洞是廣義相對論的直接結果，但在奇點的無限強引力下，這個理論就不再適用了。未來，理論物理學領域必須把物理學的兩大支柱——相對論和量子力學結合在一起，而這兩者正好在黑洞的極深處交匯。

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