对黑洞的研究开辟了人类认识宇宙的新天地
——2020年诺贝尔物理学奖简介

本刊资料室

1 2020年诺贝尔物理学奖揭晓

2020年诺贝尔物理学奖的一半给予英国数学家、物理学家彭罗斯(Roger Penrose)，表彰他对黑洞相关理论的研究，论证黑洞是广义相对论预言的结果；另一半给予德国天体物理学家根策尔(Reinhard Genzel)和美国天文学家盖兹(Andrea Ghez),表彰他们发现银河系中心隐藏着的超大质量天体．

Roger Penrose(图1)，1931年出生于英国科尔切斯特．1957年从英国剑桥大学获得博士学位．目前任职于剑桥大学．

Reinhard Genzel(图2)，1952年出生于德国巴特霍姆堡．1978年从德国波恩大学获得博士学位．目前任职于德国马普地外物理学研究所．

Andrea Ghez(图3)，1965年出生于美国纽约．1992年从美国加州理工学院获得博士学位．目前任职于加州大学洛杉矶分校．是第4位获得诺贝尔物理学奖的女性科学家．

图1 英国数学家、物理学家彭罗斯

图2 德国天体物理学家根策尔

图3 美国天文学家盖兹

2 广义相对论的预测

1915年，在狭义相对论建立的基础上，爱因斯坦建立了广义相对论并导出引力场方程

式中Rμ ν和R分别为描述时空特性的参数，gμ ν是时空基本度规张量，Tμ ν是物质张量，k是比例系数．根据对引力场方程的研究，1918年爱因斯坦从理论上预言了引力波的存在．2015年9月14日首次在实验上测到了引力波，并因此而获得2017年诺贝尔物理学奖．

另外，更加基本的是，爱因斯坦提出的广义相对论颠覆了传统的时间和空间概念．在传统的时空观中，时空是与物质无关的，而按广义相对论，物质将决定时空的属性．据此，引力场方程还可推测黑洞的存在：大质量的天体会使时空弯曲，一个超大质量的天体甚至能吞噬光线，从而形成一片“绝对黑暗”的时空，这就是黑洞．

3 彭罗斯对黑洞的研究

罗格·彭罗斯的知识很丰富，“彭罗斯三角形”就是经由彭罗斯父子得到推广；此外，他还曾与霍金一起证明了著名的“奇性定理”，获得过1988年沃尔夫物理学奖． 在爱因斯坦去世10年后，1965年1月，彭罗斯以引力场方程为基础，用巧妙的数学方法论证了黑洞之形成． 彭罗斯事后回忆道，那是1964年的秋天，他还是伯克贝克学院的数学教授，正在与同事一道散步．正要穿越一条小径时，他们暂时停止了交谈，一个想法划过彭罗斯的脑海．那天午后，他从大脑里翻出了一个念头：“俘获面”(trapped surface)．这就是彭罗斯苦寻多年的数学工具．俘获面强制所有光指向一个中心，无论这个面是向内还是向外弯曲．利用俘获面，彭罗斯可以证明黑洞总是藏有一个奇点，一个时空结束的边界．它的密度是无限的，所有已知的自然法则到此终止．彭罗斯用这种思维方法，写成一篇开创性的论文，发表于1965年1月，至今仍被认为是自爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献．现在，黑洞的中心存在奇点已成为科学界的普遍认识．黑洞引力非常强大，甚至连光线也无法逃逸，没有光线射出的边界称为“事件视界”．直接窥视黑洞是不可能的——黑洞所有的秘密都藏在它的“事件视界”内．但从“事件视界”之外，可以了解或推测“事件视界”内的某些特性．

2019年4月10日，由全球8台射电望远镜组合而成的“事件视界望远镜”项目拍摄到人类历史上第一张黑洞照片(图4)．被拍到的这个黑洞位于一个名为M87的星系中央，其质量是太阳的65亿倍．在不久的将来，银河系中央的黑洞“真容”可能也会显露．

图4 人类历史上第一张黑洞照片

4 根策尔和盖兹发现银河系中心隐藏着的超大质量天体

早在1783年英国自然哲学家约翰·米歇尔(John Michell)就提出，“黑洞”(当时所谓的“黑洞”与今天的黑洞相差甚远)周围应该有着许多明亮的星体绕其旋转，如果人们跟随这些星体的轨迹，就能够找到“黑洞”．而根策尔和盖兹的研究应用的正是这一古老的思路．

另一方面，100年前，美国天文学家哈洛·沙普利首先确定了银河系的中心，即射手座(又称人马座)区域．但直到20世纪90年代，随着更大、更先进的天文观测设备出现，科学家们才得以对银河系中心进行更系统的研究．

根策尔和盖兹分别领导一个研究小组，自20世纪90年代初以来，一直试图透过尘埃云观测银河系中央一个名为“射手座A*”的区域．根策尔小组最初使用位于智利的新技术望远镜(NTT)，而后使用位于智利帕拉纳尔山上的甚大望远镜(VLT)．而盖兹小组则使用位于美国夏威夷冒纳凯阿山上的凯克天文台．

近30年来，根策尔和盖兹的团队不断完善观测技术，追踪观测区域内众多恒星中一批最亮恒星的运动轨迹．其中一颗恒星在不到16年的时间内完成了围绕星系中心的完整运行，科学家们得以绘制出它的完整轨道．

两个研究团队在数十年如一日的观测后得出一致结论：银河系中心存在一个质量非常大且看不见的天体，在不超过太阳系的空间中聚集了约400万个太阳的质量，使周边恒星急速旋转．对这个看不见的天体，目前唯一合理的解释就是它是一个黑洞． 2019年4月10日，拍摄到人类历史上第一张黑洞照片．由此可以相信，在不久的将来，银河系中央的上述黑洞“真容”也将显露．

5 有待研究的诸多问题

诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德在颁奖仪式上表示，2020年获奖者们的发现为研究致密和超大质量天体开辟了新天地．但这些奇特的物体仍然提出了许多有待进一步解答的问题．他说：“不仅有关于它们内部结构的问题，还有关于如何在紧邻黑洞的极端条件下测试我们的引力理论的问题”，以及黑洞周围的一些气体运动状态问题、大质量黑洞的形成问题、黑洞怎么从小变大的问题等等，都有待科学家们持续深入地开展研究．

6 有关基础研究的思考

2020年诺贝尔物理学奖授予了非常基础的天体物理学研究工作：发现与认识黑洞和银河系中心超大质量天体．这就是大家所说的从0到1的基础研究．其研究成果不断深化着人类对自然界和宇宙的认识，是很多科学和应用研究的基础，应该得到重视与支持．这种原创性的科学发现一般不是“规划”出来的，更多的源于科学家们强烈的好奇心．在这种强烈好奇心的支持下，经过长期坚持与努力，最终有可能得出世界级成果，为国争光．对于世界性的大国(我国)，这应该是不可忽视的一个方面.