黑洞，18世紀人們預言的天體在2020年再一次獲得諾獎

北京時間2020年10月6日下午六點，瑞典皇家科學院宣布，2020年諾貝爾物理學獎一半授予羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），以獎勵他在黑洞天體物理學方面的貢獻，另一半授予萊茵哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德烈亞·蓋茲（Andrea Ghez），以表彰他們「在銀河系中心發現了一個超大質量的緻密天體「。

黑洞一直是天體物理學研究的中心，也是近幾年人們非常熟悉的天體之一。

提到黑洞的研究歷史，最早可以追溯到18世紀人們對於光的理解。17世紀牛頓提出了著名的萬有引力理論。18世紀，人們對於光的本質的研究達到一個小高潮。當時普遍的看法極端地分為兩類，一類是以牛頓為代表的粒子學說，另一類是以惠更斯為代表的波動學說。

但是由于波動學說沒有數學基礎，以及牛頓當時在物理學界的威望，使得光的粒子學說在物理學界佔有優勢。

1783年，英國的哲學家米歇爾以萬有引力理論以及光的粒子學說為基礎，提出了一種想像中的天體，該天體具有強大的引力，足以使光粒子像蘋果一樣掉落到其表面。由於光粒子像蘋果一樣不能逃離星體的表面，所以在這個星體以外的我們是看不到這個天體的。因此米歇爾將其稱作「暗星」。並將這一想法記錄在其著作《宇宙體系論》中。

但是隨著光學研究的進步，人們逐漸發現了光具有幹涉，衍射等波動性質，隨後波動方程的建立為光的波動學說提供了堅實的數學基礎。直到麥克斯韋提出電磁理論之後，光是一種波的理念才牢牢佔據人們的思想。而在當時人們的普遍印象中，波這一抽象概念似乎和引力是完全不相關的兩碼事。因此「暗星」這一聽上去很能引起人們好奇心的神奇天體逐漸淡出人們的視野。

後來物理學的發展真的是令人眼花繚亂。先是光的波動理論再次受到衝擊，人們意識到光同時具有波動和粒子雙重性質，即著名的波粒二象性。後來德布羅意在其博士論文中提出了物質波的概念，即任何物質在運動的時候都是以波動的方式運動的，只不過宏觀物體的德布羅意波長太長，我們很難發現而已。再到後來物理學終於迎來了華麗的升級，20世紀初，量子力學和廣義相對論相繼建立，人們認識到微觀粒子更加本質的性質，也深刻理解了物質和時空的關係。

1910年，愛因斯坦在廣義相對論中提出了著名的愛因斯坦引力場方程。1916年，物理學家施瓦西給出了該方程的第一個解，該解所對應的是一個球對稱天體周圍的時空，我們地球就處於太陽周圍的施瓦西時空中。

愛因斯坦引力場方程，揭示了物質與時空的相互作用

根據愛因斯坦引力場方程，人們得到了更多不同的解，不同的解對應不同性質的天體或者宇宙物理現象。例如著名的星光偏折，引力波，宇宙透鏡效應等等。而這些現象也在後來的天文學發展過程中被一一證實。

引力透鏡效應，某些星系團的引力就像透鏡一樣使其後方的天體放大

而最早在18世紀在哲學上提出的神秘天體「暗星」，也被廣義相對論證實確實是存在的！

1965年1月，羅傑·彭羅斯通過廣義相對論證實了黑洞確實是存在的。

羅傑·彭羅斯是英國著名理論物理學家，牛津大學教授。他與史蒂芬·霍金合作，共同提出了奇點理論，證明了在廣義相對論的基礎上，宇宙中存在引力無限大的奇點。他與霍金也憑藉這一理論獲得過沃爾夫物理學獎。在霍金的《時間簡史》中曾多次提到自己與彭羅斯因為對某個理論的看法存在分歧而打賭的故事。而這一次非常遺憾，霍金沒能看到自己的理論獲得諾貝爾獎。

羅傑·彭羅斯

彭羅斯提出，在黑洞中心被稱作奇點。該點是一個密度無限大、時空曲率無限高、熱量無限高、體積無限小的「點」，一切已知物理定律均在奇點失效。也就是說，奇點不遵循現有的任何物理學理論，黑洞中也不存在時間的概念。

理論提出之後還需要經過實驗驗證才能被人們廣泛接受，否則就只能是一座空中樓閣。

這樣的任務由萊茵哈德·根澤爾和安德烈亞·蓋茲完成。

萊茵哈德·根澤爾，於1952年出生於德國，現就職於美國加州的馬克思·普朗克地外物理研究所。

萊茵哈德·根澤爾

安德烈亞·蓋茲，於1965年出生於美國，現工作於美國加利福尼亞大學。她也成為繼瑪麗·居裡，瑪麗亞·格佩特-梅耶和唐娜·斯特裡克蘭之後，第四位獲得諾貝爾物理學獎的女性科學家。

安德烈亞·蓋茲

萊茵哈德·根澤爾和安德烈亞·蓋茲兩位科學家分別領導各自的研究小組，利用其研發的先進觀測儀器，突破星際空間中的各種天體的阻礙，成功觀測到了銀河系中心的超大質量黑洞，證實了黑洞的存在。也證實了羅傑·彭羅斯理論的正確性。更進一步證明了廣義相對論的正確性。

此後，人們發現了越來越多的黑洞。2019年，事件視界望遠鏡合作組織公布了其拍攝的人類歷史上第一張黑洞照片，一個位於室女A星系的黑洞。

第一張黑洞照片

隨著人類思想水平和科學技術的進步，從提出，否定再到預言黑洞的存在，一直到採用複雜的技術手段為黑洞拍攝照片。這一路走來，無數的科學家和工程師為拓展人類對於黑洞認知的邊界付出了無比巨大的努力，也讓人們對於黑洞的認知越來越完善。

但是，直到目前為止，人類對於黑洞的這些所有知識也只是這一神秘天體的冰山一角，黑洞裡還有更多等待人們去發掘的知識和理論。

例如，如果黑洞是永生的，那麼所有的黑洞遲早會吞噬掉整個宇宙，如何解決這一矛盾？霍金曾提出黑洞蒸發理論，他認為當黑洞增長到一定程度，在其邊界會吸收更多真空中量子漲落的反粒子並輻射出正粒子，這導致黑洞最終的命運是逐漸被吸收的反物質湮滅而蒸發。在黑洞蒸發過程中會產生霍金輻射，但這一理論直到目前仍然沒有得到實驗驗證。再比如霍金提出的黑洞無毛定理等等理論都在等待著實驗物理學的驗證。

更是有很多科幻愛好者和物理學家提出和黑洞相連的白洞和蟲洞來解釋黑洞的各種奇異之處。

總而言之，以人類目前的理論水平還不足以理解黑洞裡面的世界，或許等待我們理論物理學再次迎來下一次華麗升級之後，對於黑洞，我們會理解的更加透徹。