關(guān)于黑洞的發(fā)現(xiàn)

龍學(xué)鋒

什么是黑洞

理論認(rèn)為，黑洞是恒星演化的最后階段，是時(shí)空曲率大到光都無法從其事件視界逃逸的天體。但并非所有恒星都會變成黑洞，黑洞僅由非常巨大的恒星演變而成。當(dāng)這些恒星的生命耗盡時(shí)，將以災(zāi)難性且不可阻擋的方式坍塌，同時(shí)形成一口“引力井”。愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論可以解釋黑洞的原理。這些宇宙“怪獸”的引力大到什么都無法逃脫，無論是物質(zhì)還是光—作為宇宙中速度最快的，如果光都無法從黑洞逃脫，那么其他東西更做不到。

彭羅斯的貢獻(xiàn)：用數(shù)學(xué)方法證明黑洞

愛因斯坦提出的廣義相對論顛覆了傳統(tǒng)的空間和時(shí)間概念。他的方程式預(yù)言了黑洞的存在：大質(zhì)量的天體會使空間彎曲、時(shí)間減慢，一個(gè)超大質(zhì)量的天體甚至能吞噬光線，從而形成一片“絕對黑暗”的空間，這就是黑洞。值得一提的是，愛因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

在愛因斯坦去世10年后，彭羅斯用巧妙的數(shù)學(xué)方法論證了黑洞可以形成，并對其進(jìn)行了詳細(xì)描述：在黑洞的核心隱藏著一個(gè)奇點(diǎn)，它的時(shí)空曲率無窮大，密度也趨于無限大。一旦物質(zhì)開始坍縮，就沒有什么能阻止坍縮的繼續(xù)，所有物質(zhì)只能沿一個(gè)方向走向奇點(diǎn)。這是一條通往時(shí)間盡頭的“單行道”。 用幾何的語言來說，這是幾何上的奇點(diǎn)。而在普通人看來，這是毀滅之點(diǎn)，因?yàn)樵绞强拷@個(gè)點(diǎn)，引力產(chǎn)生的拉扯力越大，最終歸于毀滅。從物理學(xué)的角度來看，在這個(gè)點(diǎn)上，所有的物理學(xué)定律不再適用。

彭羅斯這篇開創(chuàng)性的論文發(fā)表于1965年1月，首次將整體微分幾何引入廣義相對論的研究之中，開啟了后來幾十年利用整體微分幾何研究廣義相對論的潮流，并且催生了一系列重要結(jié)果，至今仍被認(rèn)為是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻(xiàn)。現(xiàn)在，黑洞的中心存在奇點(diǎn)已成為科學(xué)界的普遍認(rèn)識。彭羅斯的工作不僅在結(jié)果上有重要意義，在方法上也影響深遠(yuǎn)。

根澤爾和格茲的貢獻(xiàn)：天文觀測發(fā)現(xiàn)黑洞

1918年，美國天文學(xué)家哈洛·沙普利首先確定了銀河系的中心，即射手座（又稱人馬座）方向。在后來的觀察中，天文學(xué)家在那里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)大的電磁波源，并將那里標(biāo)記為射手座 A*。人們發(fā)現(xiàn)，射手座 A* 占據(jù)了銀河系的中心，并且銀河系軌道上的所有恒星都圍繞著它。自20世紀(jì)90年代初以來，根澤爾和格茲各自領(lǐng)導(dǎo)著一組天文學(xué)家，他們一直專注于銀河系中心射手座A*的區(qū)域。近30年來，根澤爾和格茲在遙遠(yuǎn)的銀河系中心恒星混雜的環(huán)境中觀測恒星。根澤爾和格茲使用世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，開發(fā)出新的方法來觀察星際氣體和塵埃的巨大云層，直至銀河系的中心。他們不斷開發(fā)和完善技術(shù)，配備了更加靈敏的數(shù)字光傳感器和更好的自適應(yīng)光學(xué)器件，使圖像分辨率提高了千倍以上。他們能夠更精確地確定恒星的位置，追蹤觀測區(qū)域內(nèi)眾多恒星中30顆最亮恒星的運(yùn)動軌跡。兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在數(shù)十年如一日的觀測后得出一致結(jié)論：銀河系中心存在一個(gè)質(zhì)量非常大且看不見的天體，它的拉動造成恒星的混亂，使它們以眩暈的速度奔波。對這個(gè)看不見的天體，目前唯一合理的解釋就是它是一個(gè)黑洞。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評委會主席戴維·哈維蘭德在頒獎(jiǎng)儀式上表示，今年獲獎(jiǎng)?wù)邆兊陌l(fā)現(xiàn)為研究致密和超大質(zhì)量天體開辟了新天地。但對這些奇特的物體仍然提出了許多有待進(jìn)一步解答的問題，并激發(fā)未來的研究。他說：“不僅有關(guān)于它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題，還有關(guān)于如何在緊鄰黑洞的極端條件下測試我們的引力理論的問題。”

彭羅斯與霍金一起證明了奇點(diǎn)定理

奇點(diǎn)的存在一直是物理學(xué)中的一個(gè)難題。1969年，彭羅斯提出了著名的宇宙監(jiān)督原理，該原理保證任何時(shí)空奇點(diǎn)都會被視界包圍起來。直到今天，這個(gè)猜測還是引力理論中的一個(gè)難題。1965—1970年，彭羅斯與霍金在一系列工作中一起證明了奇點(diǎn)定理。簡單來說，對于任何黑洞，只要物質(zhì)的能動張量滿足某些不太苛刻的條件，那么黑洞內(nèi)部將一定存在奇點(diǎn)。彭羅斯的工作證明了奇點(diǎn)不僅在數(shù)學(xué)上是廣義相對論的一個(gè)解，而且在物理上也是可能由一般的物理?xiàng)l件演化而得到的。大家一定注意到了這項(xiàng)工作是彭羅斯與霍金一起做的。具體來說，奇點(diǎn)的解不僅在黑洞中存在，在宇宙學(xué)中也存在（宇宙大爆炸就是從一個(gè)奇點(diǎn)開始的）。彭羅斯的工作主要在黑洞方面，霍金的工作則在宇宙學(xué)方面。因此，就今年的頒獎(jiǎng)詞“發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是對廣義相對論的有力預(yù)測”而言，彭羅斯獲獎(jiǎng)是恰如其分的。

趣味數(shù)說諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已經(jīng)頒發(fā)100多次。宏觀至宇宙探索，微觀至原子結(jié)構(gòu)，都是物理學(xué)獎(jiǎng)得主們的研究領(lǐng)域。回顧過去頒發(fā)的這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，能發(fā)現(xiàn)不少有趣的數(shù)字。

114次：自1901年首次頒獎(jiǎng)至2020年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已頒發(fā)114次。因戰(zhàn)爭等原因，有6個(gè)年份未頒獎(jiǎng)，分別為1916年、1931年、1934年、1940年、1941年和1942年。首名獲獎(jiǎng)?wù)呤前l(fā)現(xiàn)X射線的物理學(xué)家倫琴，其他獲獎(jiǎng)?wù)哌€包括愛因斯坦、居里夫人（瑪麗·居里）、玻爾等。

1對夫妻：在物理學(xué)獎(jiǎng)歷史上，曾有一對夫妻同時(shí)獲獎(jiǎng)，即人們所熟知的居里夫婦。瑪麗·居里和丈夫皮埃爾·居里因?qū)Ψ派湫袁F(xiàn)象的研究獲得1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。有意思的是，居里夫婦的女兒伊雷娜·約里奧—居里與丈夫弗雷德里克·約里奧—居里同獲1935年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

2次獲獎(jiǎng)：截至2020年，共有216人次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)桂冠，其中約翰·巴丁在1956年和1972年兩次摘走物理學(xué)獎(jiǎng)，因此實(shí)際獲獎(jiǎng)人數(shù)為215人。瑪麗·居里也曾兩次獲諾貝爾獎(jiǎng)，但獎(jiǎng)項(xiàng)不同，1903年獲物理學(xué)獎(jiǎng)，1911年獲化學(xué)獎(jiǎng)。

4名女性：歷史上僅有4名女性獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，除瑪麗·居里外，另外三人分別是1963年因原子核研究獲獎(jiǎng)的瑪麗亞·格佩特，2018年因在激光物理學(xué)領(lǐng)域做出突破性貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)的唐娜·斯特里克蘭，以及剛剛揭曉的因發(fā)現(xiàn)黑洞而獲得2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的美國科學(xué)家安德里亞·格茲。

4對父子：父子均獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的共有4對，其中亨利·布拉格與勞倫斯·布拉格于1915年同時(shí)獲獎(jiǎng)，其他三對父子不是同年獲獎(jiǎng)。

25歲與96歲：截至2019年，最年輕的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主是1915年獲獎(jiǎng)的勞倫斯·布拉格，時(shí)年25歲。最年長的獲獎(jiǎng)?wù)邽榘⑸ぐ⑹步穑?018年獲獎(jiǎng)時(shí)已96歲。

羅杰·彭羅斯研究領(lǐng)域：數(shù)學(xué)、物理學(xué)

1931年出生于英國埃塞克斯州的一個(gè)醫(yī)生家庭。他的父親是著名的人類遺傳學(xué)家萊昂內(nèi)爾·彭羅斯。羅杰·彭羅斯1957年畢業(yè)于英國劍橋大學(xué)，被授予劍橋大學(xué)博士學(xué)位。

彭羅斯在生活中也是一個(gè)非常有趣的人。他最為出名的發(fā)明也許是與娛樂數(shù)學(xué)有關(guān)的彭羅斯貼磚。彭羅斯也有一些很有爭議性的觀點(diǎn)，比如他對人類智能的觀點(diǎn)集中在他的著作《皇帝新腦》一書中，他聲稱已知的物理定律不足以解釋意識現(xiàn)象。他提議新物理學(xué)所具有的特性應(yīng)該能填補(bǔ)經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)之間的理論溝壑。

萊因哈德·根澤爾研究領(lǐng)域：天體物理學(xué)

1952年生于德國的巴特洪堡，1978年獲德國波恩大學(xué)博士學(xué)位。德國加興馬普地外物理研究所所長，美國加州大學(xué)伯克利分校教授。

目前，根澤爾正在將他們的研究推向越來越小的空間尺度和越來越遠(yuǎn)的距離，以達(dá)到在“大爆炸”之后的最初幾十億年中形成的星系。他的研究小組使用新一代10米級地面望遠(yuǎn)鏡（例如Keck望遠(yuǎn)鏡）以及自適應(yīng)光學(xué)和干涉測量的新技術(shù)，這樣的高分辨率技術(shù)將揭示中心黑洞是否存在以及在那里如何形成恒星。

安德里亞·格茲研究領(lǐng)域：天體物理學(xué)

1965年出生于美國紐約，1992年畢業(yè)于美國加州理工學(xué)院，獲博士學(xué)位，美國加州大學(xué)洛杉磯分校教授。

這是百余年來，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)史上第4位女性獲獎(jiǎng)?wù)摺Ｄ壳埃谘芯亢阈切纬珊豌y河中心的大黑洞。在對恒星形成區(qū)域的研究中，她發(fā)現(xiàn)大多數(shù)年輕恒星都有伴星，并且大多數(shù)恒星的距離小于太陽系的大小。這就提出了許多有趣的問題：緊密的伴星對這些年輕恒星周圍的行星形成有什么影響？單顆恒星（例如我們的太陽）如何形成？什么機(jī)制產(chǎn)生多顆恒星系統(tǒng)，什么會影響它們的最終性質(zhì)？

除了研究，格茲還熱衷于將自己的研究成果分享給更多熱愛宇宙學(xué)的年輕學(xué)子。在格茲還是加州理工學(xué)院博士生時(shí)，她就請求學(xué)校破格讓她教授大一物理課，理由是年輕的學(xué)生們沒有足夠的女性榜樣，而她的存在可以鼓勵(lì)年輕的女性從事天體物理學(xué)的職業(yè)。她對學(xué)生的關(guān)心、她對教學(xué)的熱情以及專業(yè)度贏得了學(xué)生的欽佩。為了促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，格茲經(jīng)常在考試和講課中加入動畫片，通過輕松的方式讓學(xué)生消除對物理的恐懼。