三位科学家因突破性的黑洞工作获得诺贝尔物理学奖

2020年诺贝尔物理学奖授予罗杰·彭罗斯，表彰他发现黑洞的形成是广义相对论的有力预言。他与莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹因在银河系中心发现超大质量致密物体而获奖。

牛津大学荣誉退休劳斯球数学教授彭罗斯将获得1000万瑞典克朗(超过110万美元)奖金中的一半。他在20世纪60年代提供了开创性的数学证据，证明黑洞是广义相对论的直接结果，从而帮助巩固了黑洞物理学的理论基础。

Genzel是德国马克斯·普朗克地外物理研究所的代理所长，也是加州大学伯克利分校的教授，而约翰·盖兹是加州大学洛杉矶分校的教授。他们每人将获得四分之一的奖金。Genzel和Ghez各自领导的天文学小组绘制了最靠近银河系中心的恒星的轨道，这一区域被称为人马座A*，这给了我们迄今为止最好的证据，证明在我们的银河系中心存在一个超大质量的黑洞。这项工作得到了先进的自适应光学工具的发展，以对抗地球大气层的扭曲效应，这对这项工作起到了不可估量的帮助。

诺贝尔物理学委员会主席大卫·哈维兰(David Havland)在一份官方声明中表示，今年获奖者的发现在致密和超大质量天体的研究中开辟了新的天地。但这些奇异的物体仍然提出了许多问题，需要答案，并激励着未来的研究。不仅是关于它们的内部结构的问题，还有关于如何在黑洞附近的极端条件下检验我们的引力理论的问题。

约翰·米歇尔(John Micell)和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon LaPlace)分别在1783年和1796年假设黑洞是暗星的先驱。在1783年发表在《皇家学会哲学会刊》上的一篇论文中，米歇尔认为，根据经典(牛顿)力学，一颗密度与太阳相同，但半径大500倍的恒星会产生如此强大的引力，以至于光本身就会被捕获。拉普拉斯在他自己1799年的论文中做了类似的计算。

我们对黑洞的现代概念可以追溯到1916年，当时阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论是全新的，彻底改变了我们对引力的理解。爱因斯坦设想的时空是弯曲的，而不是扁平的，因此引力与其说是一种力，不如说是由于质量或能量的存在而变形的时空。存在的质量或能量决定了曲率的程度，曲线越弯曲，引力就越强。因为空间和时间是一体的，所以发生在空间上的事情也会影响时间：当空间被扭曲时，时间也会相应地被拉伸或压缩。因此，时间的减慢与引力场的强度成正比，而引力场的强度取决于距离。

爱因斯坦的方程式开辟了一个全新的理论可能性领域。在第一次世界大战期间，一位名叫卡尔·施瓦茨柴尔德(Karl Schwarzschild)的物理学家在前线遭到猛烈炮火的情况下，开始摆弄不同的解决方案，就在爱因斯坦发表了他的开创性论文-他让自己的注意力从战争的恐怖中解脱出来的方法之后。施瓦茨柴尔德最终遇到了方程爆炸的障碍，他的工作提供了对黑洞的早期描述。(罗伯特·迪克(Robert Dicke)在1960年创造了这个词，约翰·惠勒(John Wheeler)后来帮助普及了这个词。)。极重的质量可以切断一块空间，形成一个黑洞，周围环绕着一个视界--一个假想的无法返回的点，任何东西都无法逃脱(即使是光)。质量越大，黑洞就越大，其视界直径也越大。

起初，物理学家认为这些奇异的天体纯粹是理论上的，尽管罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)和他的学生哈特兰·斯奈德(Hartland Snyder)处理了一些早期的计算，表明质量比太阳大许多倍的大质量恒星可能会戏剧性地坍塌形成黑洞。因此，这颗恒星倾向于与遥远的观察者隔绝任何通信；只有它的引力场持续存在，他们得出结论。然而，普遍的共识是，对于可以在我们的宇宙中实际形成的东西来说，这并不是一个现实的模型。然后，物理学家在20世纪60年代发现了类星体，这是宇宙中已知的最明亮的物体。科学家们得出结论，所有辐射源肯定是落入大质量黑洞的物质。所以黑洞终究可能是真实的。

罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)决定解决演示黑洞可能真实形成的问题，后来回忆起他在1964年秋天获得关键洞察力的那一刻。在拜访一位同事时漫步在伦敦，他设想了一个囚禁表面：一个封闭的二维表面，它将所有光线引导到一个无限密集的中心--我们现在称之为奇点，时间和空间都结束在一个黑洞里。彭罗斯接着用他同名的彭罗斯图表和其他工具表明，在广义相对论下，一旦形成了这样一个被困的表面，就没有什么能阻止朝着奇点的不可避免的崩溃。

然而，为黑洞的存在建立坚实的理论基础并不等同于直接观测黑洞。我们的银河系是一个直径约10万光年的扁平圆盘，我们的太阳只是其中数千亿颗恒星中的一颗。物理学家长期以来一直认为，在其中心可能存在一个超大质量的黑洞，这得益于从被称为人马座A*的中心区域发出的无线电波的发现。因此，它似乎是进一步调查的理想人选。