2020年諾貝爾物理學獎
——黑洞“吸納”全部獎金

◇ 北京 郭 紅

北京時間2020年10月6日下午6點左右,諾貝爾物理學獎評選結果揭曉:三位科學家因為他們對宇宙中最奇異的現象之一——黑洞而分享了諾貝爾物理學獎.其中一半獎金被授予英國科學家羅杰·彭羅斯(RogerPenrose),他用巧妙的數學方法證明了黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結果,證明了廣義相對論星云導致了黑洞的形成.另一半獎金被授予德國科學家萊因哈德·根澤爾(ReinhardGenzel)和美國科學家安德里亞·格茲(AndreaGhez),他們發現了一個不可見且極其重的物體控制著銀河系中心恒星的運行軌道,也就是一個超大質量的黑洞.

羅杰·彭羅斯是英國數學物理學家、科學哲學家,牛津大學數學榮譽退休教授,牛津沃德姆學院榮譽研究員,劍橋圣約翰學院榮譽研究員.彭羅斯對廣義相對論和宇宙學的數學物理學發展做出了重要貢獻.他曾獲得多個獎項,包括1988年因與斯蒂芬·霍金共同得出彭羅斯霍金奇點理論榮獲沃爾夫物理學獎.

萊因哈德·根澤爾是德國科學家,研究領域為紅外和亞毫米波射電天文學,他和他的團隊積極開發用于天文學研究的一些地面和空基儀器.他們最先在銀河系中心追蹤恒星運動的星團(人馬座A?),并表明它們正在繞著非常大的物體運行,該物體可能是黑洞.此外,他還活躍在對于銀河系的形成和演化的研究領域中.

安德里亞·格茲是美國天文學家,也是加州大學洛杉磯分校物理與天文學系的教授.截至2020年,共有4名女性科學家獲得諾貝爾物理學獎.2004年,《發現》雜志將格茲列為美國20大科學家之一.同年,格茲當選為美國國家科學院院士,2019年,當選為美國物理學會(APS)院士.格茲目前的研究涉及高空間分辨率成像技術,如自適應光學凱克望遠鏡,以研究恒星形成區和位于銀河系中心的人馬座A?黑洞.通過在紅外波長對銀河系中心成像,格茲和她的同事們能夠窺視阻擋可見光的重塵,得到銀河系中心的圖像.

“今年獲獎者的發現在研究致密和超大質量天體方面開辟了新的領域.但是,這些奇異的物體仍然引出了許多問題,這些問題需要得到答案,并促進未來的研究.”諾貝爾物理學獎委員會主席戴維·哈維蘭德(DavidHaviland)表示:“這些問題不僅包括它們的內部結構,還包括如何在黑洞附近的極端條件下驗證我們的引力理論.”

黑洞理論最初是由英國地理學家約翰·米歇爾(JohnMichell)提出的.他在1783年寫給亨利·卡文迪什的一封信中提出了這個想法,他認為一個和太陽同等質量的天體,如果半徑只有3千米,那么這個天體是不可見的,因為光無法逃離天體表面.除此之外,法國物理學家拉普拉斯曾在1796年預言:“如果一顆天體質量約為太陽的250倍,直徑和地球相當,那么這個天體表面的引力將變得非常大,連光也不能逃脫.”之后科學家們普遍認為宇宙中存在這么一種“可怕”的天體,任何物質包括宇宙中最快的光也逃脫不了它的引力,只要靠近它就會瞬間化為烏有.

1916年廣義相對論問世后,德國的史瓦西根據廣義相對論計算出了黑洞,這是現代的黑洞概念的來源.在20世紀30年代末,美國的原子彈之父奧本海默和他的學生提出了一種學說:恒星在死亡塌縮的時候有可能塌縮成一個致密的奇點,并推導出了這個質量的下限(3.2個太陽質量左右).20世紀60年代,黑洞的研究迎來了兩項突破性進展:1963年新西蘭的數學家羅伊·克爾通過數學求解的方式第一次精確得到了愛因斯坦場方程帶有旋轉黑洞的精確解.1964年,用觀測方法發現了第一顆恒星級的黑洞.正是理論和觀測同時的突破,使得黑洞研究領域迎來了它的黃金時代.在接下來的二三十年,一大批天文學家、物理學家投身這個領域.現在人們所知道的關于黑洞的知識基本上都是在這段時間內得到的.在這一時期,黑洞這個名字經過普林斯頓大學教授約翰·惠勒的推廣,才得以被眾人所知.

1965年1月,也就是愛因斯坦去世10年后,羅杰·彭羅斯證明了黑洞確實可以形成,并詳細描述了它們(在黑洞的核心,隱藏著一個奇點,在這個奇點中,所有已知的自然法則都停止了).他那篇具有開創性的文章仍然被認為是繼愛因斯坦之后對廣義相對論最重要的貢獻.

1974年,英國著名天體物理學家霍金提出“霍金輻射”理論,至此,黑洞存在成為物理學界的主流觀點.

萊因哈德·根澤爾和安德里亞·格茲各自帶領著一個天文學家小組,從20世紀90年代早期開始,對銀河系中心一個叫作人馬座A?的區域進行重點研究.在他們的努力下,最靠近銀河系中心的最亮恒星的軌道已經以越來越高的精度被繪制出來.這兩個小組的測量結果一致,都發現了一個非常重的、看不見的物體,它牽引著混亂的恒星,使它們以令人眩暈的速度奔跑.大約400萬個太陽質量聚集在一個不比太陽系大的區域里.

2012年10月,安德里亞·格茲的研究小組在加州大學洛杉磯分校確認了第二顆環繞銀河中心運行的恒星.根據開普勒定律,格茲的團隊利用軌道運動證明了人馬座A?的質量為4.1±0.6百萬太陽質量.因為人馬座A?比下一個最近的已知超大質量黑洞M31?(位于M31的中心)的質量大近一百倍,所以它現在是超大質量黑洞的最佳例證之一.

2018年7月,萊因哈德·根澤爾等人報告,S2(恒星)軌道人馬座A?的記錄速度為7650km·s－1(光速的2.55%),這使他們從相對論速度的可辨別紅移中確認了廣義相對論.

2019年4月,人類首次通過照片知道了黑洞的模樣,確認了黑洞是真實存在的.

黑洞是引力非常強的天體,它是宇宙中最神奇,也是最簡單的一類天體.只需要3個物理量就可以描述黑洞——質量、轉動、電荷.在宇宙中,氣體幾乎都以等離子體狀態存在,會存在非常多的自由電荷.如果一個黑洞帶電,那很容易吸附周圍的帶電粒子而達到電離平衡,所以只剩下兩個物理量——質量和轉動,這樣就可以通過所謂的克爾度規來完整描述天體物理學當中的黑洞.科學家的主要任務就是測量黑洞的這兩個基本量.據推測在銀河系中還應該存在上億個恒星量級的黑洞.

到目前為止,人類僅僅探測到了幾十個黑洞,而且只有不到20個恒星量級的黑洞有非常精確的質量測量.根據質量可以把黑洞分為三大類:一類是恒星量級的黑洞,也就是說它的質量在3倍太陽質量到100倍太陽質量之間.第二類稱為超大質量的黑洞,它的質量起點是幾十萬倍的太陽質量,最多可以到幾十億倍甚至上百億倍的太陽質量.介于二者之間的黑洞,稱為中等質量黑洞,但是對于它們,現在觀測的直接證據非常少,僅能根據理論研究證明它們是存在的,所以尋找中等質量的黑洞也是現在和將來要研究的熱門課題.