向探索與發現、挑戰與未知致敬｜今年諾貝爾物理學獎帶來的啟示

電影《星際穿越》中的黑洞形象

四年抱仨！2020年諾貝爾物理學獎又一次頒給了天體物理學領域，又一次「震驚」了大家。不過，翻看大家的評論後會發現，在震驚之外，有人質疑今年的成果不夠諾獎級別，「發現銀河系中心的超大黑洞也值諾獎？」，也有人懷疑起自己的記憶，「黑洞的研究竟然現在才獲諾獎？」

撰文 | 苟利軍（國家天文臺），毛淑德（清華大學）

責編 | 韓越揚

其實，三年前引力波的獲獎也多少與黑洞有關（探測到雙黑洞合併產生的引力波），但是今年的確實是與黑洞直接相關，這也著實讓包括作者之一（苟利軍）在內的從事黑洞研究的科研工作者們在意外之餘又備受鼓舞。寫了一篇短文，既是對今年諾獎成果的簡單解讀，也是對大家各種疑問的討論，希望能給我們帶來新的啟示。

三位科學家分別做出了哪些貢獻？

首先，我們來回顧一下諾獎委員會的頒獎語。

圖片來源：諾貝爾獎官網

「三位獲獎者分享了今年的諾貝爾物理學獎，以表彰他們對宇宙中最奇異的現象之一—黑洞的發現。羅傑·彭羅斯證明了廣義相對論導致了黑洞的形成。萊因哈德·根澤爾和安德裡亞·蓋茲發現，我們銀河系中心的恆星軌道由一個看不見的極其重的物體控制。超大質量黑洞是目前已知的唯一解釋。」

羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)是牛津大學數學榮休教授，他最早在1965年的時候，使用了巧妙的數學方法，證明黑洞是阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)廣義相對論的直接結果。證明了黑洞確實可以形成，並對其進行了詳細描述；黑洞的核心隱藏著一個奇點，在這個奇點中，所有已知的自然法則都消失了。而之後，他和霍金繼續做了與奇點相關的研究。最後，這些結果被總結成了以兩人命名的定理：彭羅斯-霍金奇點定理。

說到這裡肯定有人要問了，如果霍金還在世，是不是也應該獲獎呢？有可能也不一定。比如說此次獲獎的彭羅斯，在諾獎說明中就提到他證明了黑洞是廣義相對論中的必然存在的天體，而有關奇點的最早工作是彭羅斯在1965年獨立完成的，而1970年霍金與彭羅斯的合作工作中，儘管霍金是第一作者，而且給出了更加嚴格的證明，並且講奇點理論拓展到了宇宙學當中，但工作是卻不是開創性的。從諾獎對「開創性工作」的重視上而言，如果非要在二人中做選擇，恐怕還是彭羅斯會「勝出」。

當然霍金和彭羅斯兩人也因為奇點定理，共同獲得了沃爾夫獎。對於霍金來說，他最為知名、最重要的工作無疑是以自己名字命名的「霍金輻射」，如果哪天真的探測到這個輻射，按照目前的這個諾獎趨勢，也開始頒發給理論學家了，所以霍金肯定是毫無懸念的獲獎了。很遺憾的是，黑洞方面的一些聲名遠揚的大師已經相繼過世，貝肯斯坦也於2015年過世，依舊建在的不多了。

除了數學家和數學物理學家，彭羅斯還有一個身份，那就是科普作家。他寫過不少很受歡迎的科普書，在國內最知名的就是《皇帝新腦》，這本書是不少大學理科青年的經典案頭書。

這是一本涉及多個學科領域的暢銷書（圖片來源：亞馬遜官方網站）

說到論證了黑洞奇點存在，在這裡就必須要提一下彭羅斯之前的幾位物理學家或者數學家，那就是施瓦西和科爾，他們分別在1916年和1963年得到了愛因斯坦場方程的精確解。施瓦西得到了靜止黑洞的精確解，而科爾得到了轉動黑洞的精確解，他們的成果對於黑洞研究非常重要，應用也非常廣泛，尤其是科爾黑洞的度規解 ，求解難度超乎尋常，否則也不會等待將近半個世紀才得到答案。從重要性來講，這也是達到了諾獎水平的成果。

儘管黑洞是基於愛因斯坦提出的廣義相對論推演出的天體，但是直到1955年去世，愛因斯坦本人都不相信黑洞真的存在，最主要的原因是根據當時的了解，宇宙中所有天體都是轉動的，而當時所得到的黑洞解意味著黑洞是不轉動的。而且由於戰爭，對於黑洞的研究觀測幾乎處於停滯狀態。也難怪愛因斯坦不肯相信這種奇異天體的存在。

直到了20世紀60年代，才迎來了黑洞研究的黃金時期，黑洞相關理論和觀測取得雙重進展：第一個黑洞的發現，第一個類星體的觀測，科爾度規的求解等等……

類星體被發現之後，因為其能量實在巨大，所以如何解釋它成為一個難題。後來，人們認為這是超大質量黑洞吸積氣體，產生噴流的結果。也就是說，我們所看到的類星體其實就是超大質量黑洞產生的強大噴流。

但是按照這個解釋，又產生了一個新的問題，那就是包括我們銀河系在內的沒有噴流的星系中，是否也存在超大質量的黑洞呢？或者說，超大質量黑洞在星系中是普遍存在的，還是僅僅存在於某些星系？

要想回答這個問題，我們所處的銀河系無疑就是一個最佳觀測對象。

1969年，唐納德·林登-貝爾(Donald Lynden-Bell)和馬丁·裡斯(Martin Rees)提出，銀河系中心可能包含一個超大質量黑洞，但這一觀點缺乏證據，因為銀河系核心被星際塵埃遮蔽著，只能作為相對微弱的射電源被探測到，稱為人馬座A*。

這就有了後來眾多天文學家想證實銀河系中心存在超大質量黑洞的不懈努力。而這次獲獎的兩位就是這方面的代表性人物。

就如諾獎委員會所言，萊因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)和安德裡亞·蓋茲(Andrea Ghez)各自領導著一個天文學家小組，自20世紀90年代初以來，他們一直專注於我們銀河系中心一個名為射手座A*的區域。他們分別使用著世界上最為先進的望遠鏡，繪製了距離銀河系中央最近的最亮恆星的精確軌道。通過軌道和速度，確定出中心黑洞的質量。這兩組人的測量結果是一致的，在銀河系中心，大約有400萬個太陽質量聚集在一個不比我們太陽系大的區域內。在這裡需要說明的是，這種方法在天文學中也被稱為動力學方法，是質量測量方法中最為可靠的一種。筆者目前也是在利用同樣的方法對恆星量級黑洞做著質量測量。

儘管兩人都得到了一致的黑洞質量結果，但是萊因哈德·根澤爾團隊和安德裡亞·蓋茲團隊利用不同的望遠鏡對銀河系中心的黑洞進行觀測。蓋茲利用了世界上最為先進的凱克望遠鏡，並且利用了主動光學的技術，通過將近20年的持續努力，最終才繪製出周圍恆星的精確軌道圖。根澤爾團隊則是利用歐洲南方天文臺口徑為8.2米的大型望遠鏡（VLT），這是由4個相同望遠鏡組成。目前，他們已經成功利用將四個望遠鏡通過幹涉的方式在紅外波段聯網（VLTI），組成了一個虛擬口徑達到120米的超級望遠鏡。

VLT的全貌（圖片來源：ESO）

肯定有讀者會想起視界面望遠鏡（EHT），同樣是通過幹涉聯網，視界面望遠鏡是在亞毫米波段聯網，最終虛擬口徑達到地球直徑大小。兩者相比較的話，VLT要更難一些。因為亞毫米波段依舊屬於射電波段，這方面的技術相對很成熟，而紅外波段的幹涉難度就很大，所以要想穩定運行，難度就更大。利用這個成功運行的幹涉陣，根澤爾團隊就相當於擁有了一架超高解析度的望遠鏡，可以看到很多之前沒有看到的細節，作出一些從來沒有看到過的發現。比如，他們觀測到了我們銀河系中心S2恆星的微弱的引力紅移，驗證了廣義相對論理論。北京大學的東蘇勃教授就利用這個高解析度的望遠鏡，首次觀測到了微引力透鏡的雙像。

來自人們的雙面疑問

回到我們文初提到的大家的疑問，有人質疑今年的成果不夠諾獎級別，也有人覺得黑洞研究早就應該獲獎了。

對於前者的質疑，在前文中其實我們也有了一些回答，諾獎比較重視開創性的成果，不管是從數學角度、理論角度去證明黑洞確實存在，還是從觀測上「證明」銀河系中心超大質量黑洞的存在，都是符合這一標準的。正是這些前輩們的努力，才使得黑洞家喻戶曉。

對於後者的困惑，我們認為，可能是因為黑洞這種天體實在太奇異了，充滿了神秘色彩，與其他研究領域相比，有著傳播上的天然優勢，不管是在影視文學作品中，還是在大眾傳媒裡，黑洞的出鏡率都非常高。其實，科學研究和大眾傳播並不相同，在很多大家不熟悉甚至沒聽過的領域，還有著很多諾獎級別的成果。

黑洞相關研究還有希望獲獎嗎？

昨天也有不少朋友討論，接下來，黑洞領域還有沒有機會再獲諾獎？我們以為，視界面望遠鏡（EHT）的工作倒有一定的可能，2019年4月10日發布的首張黑洞照片讓大家對黑洞有了直觀認識，雖然與傳統意義上通過光學手段「直接看到」不一樣，但那仍然是我們第一次「真正切切」看到黑洞的模樣。不過，當時只公布了M87星系中心的黑洞，銀河系中心的黑洞照片因為處理難度還沒有公布，相信不久也會看到。目前對於黑洞的研究還停留在一個大尺度的研究層面，視界面望遠鏡的高解析度能夠讓我們看到黑洞周圍一些更小尺度上的新物理或者新現象，或許其中就包含有一些突破性的發現。

超大質量黑洞獲獎了，那麼恆星量級的黑洞還會獲獎嗎？以及前一段時間引力波剛剛發現的中等質量黑洞GW190521會得獎嗎？從時間的角度而言，1964年探測到的天鵝座X-1是人類歷史發現的第一個黑洞，然而或許相比較而言，物理是恆星量級的黑洞還是中等質量的黑洞本身，對於星系和宇宙的演化都沒有超大質量黑洞的作用那麼的大。所以再次授予這兩個發現的概率會小很多。

獲獎的啟示

這次獲獎的彭羅斯主要是從事理論方面的研究，他繼承了以牛頓為代表的理論研究，用的是純腦力。除過黑洞和宇宙學方面的貢獻之外，彭羅斯對數學也有很多的貢獻，像彭羅斯瓷磚（Penrose tiling）等，所有的這些研究，都是為興趣使然。不禁讓人想起來了牛頓晚年所說的一句話，「我只不過是一個在海灘上玩耍的頑童,無意中撿到了幾個漂亮的貝殼」。無論如何，彭羅斯的成就也是與他所在研究單位的自由的學術環境、並且擁有許多優雅並且有好奇心的學者是緊密相關的。

非周期性、永不重複的彭羅斯瓷磚 （圖片來源：維基百科）

而作為觀測學者的根則爾和蓋茲，他們的工作如上所說，用到了目前世界上最好的8-10米級望遠鏡，並且是長達十多年觀測的結果，這是歐美對基礎研究不懈支持、產生頂級科學的又一範例；為了穿過緻密的氣體雲，他們的觀測必須在近紅外開展，而近紅外探測器這樣的卡脖子技術對中國是禁運的，這也是中國天文學家的一個短板，是未來我們需要急需發展和解決的。

黑洞周圍恆星運動軌跡圖

目前中國最大口徑的通用型望遠鏡是位於雲南麗江的2.4米望遠鏡，相比之下，歐洲和美國最大口徑的望遠鏡是8-10米口徑的望遠鏡，而與此同時，他們已經在建造下一代的30-40米的望遠鏡。作為一門設備驅動的觀測型學科，一旦國外的下一代望遠鏡投入使用，中國和這些國家的天文學差距將會變得更大，我們必須要思考在未來（接下來的十年甚至幾十年之內）如何應對這種局面。不過科學沒有太多的捷徑可以走，我們還是需要在設定好目標之後，踏踏實實地擼起袖子努力去做。

敬探索與發現，敬挑戰與未知

諾獎公布之後，很多人在問，這次獲獎的黑洞成果對我們的生活有什麼具體而深遠的貢獻嗎？其實，最直接的，我們目前理所當然地認為黑洞這種天體在宇宙中存在，就歸功於這些科學家的不懈努力。說得更宏觀些，他們拓寬了人類的認知邊界。

雖然作為科研工作者的最高榮譽，沒有人敢說自己不想獲得諾獎。但我們認為，即使對於諾獎得主們來說，這也只是一項榮譽，而不是真正的追求。科研工作者們真正追求的，是對世界的認識，對未知的解答。通過理論研究、觀測、實驗，我們在不斷挑戰著自己的智力極限，如果通過這些努力與探索，我們能夠解決當下遇到的這些問題，那麼當未來人類遇到問題的時候，我們會有足夠的信心去解決未來的那些問題。讓我們，向探索與發現致敬，向挑戰與未知致敬。