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2020年諾貝爾物理學獎權威解讀，你想知道的都在這里！

作者：中科院來源：中科院物理所發布時間：2020年10月07日點擊數：

剛剛，2020 年諾貝爾物理學獎將一半頒給了

羅杰·彭羅斯 (Roger Penrose)

以表彰其給出的黑洞形成的證明，并成為廣義相對論的有力證據。另一半由

賴因哈德·根策爾 (Reinhard Genzel)

安德烈婭·蓋茲 (Andrea Ghez)

共享，表彰他們在銀河系中心發現超高質量高密度物質。

2020 年諾貝爾物理學獎將一半的獎金頒給了羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）其證明了黑洞的形成，這成為廣義相對論的有力證據。

黑洞的概念其實早就有了，早在 18 世紀米歇爾還有拉普拉斯等人就討論過，一個具有與地球同樣密度，而直徑為太陽 250 倍的明亮天體，它發射的光將被自身引力吸引而不能被我們看到。

出于這個樸素的想法，宇宙中最明亮的天體卻很可能是看不見的。在前面的論述中，拉普拉斯還給出了黑洞的史瓦西半徑公式

雖然這個公式確實是對的，和今天用廣義相對論推導得出來的一樣，但是當時拉普拉斯是通過把光假設成粒子，用萬有引力定律計算的，這個計算過程不太對。后來愛因斯坦發表了廣義相對論，很快史瓦西就根據理論場方程給出了史瓦西解。

黑洞的史瓦西解在當時并沒有引起多大重視，這個解說時空中間是一個奇點，密度無限大，這實在是超乎想象。但是現在第一張黑洞照片也已經被拍攝出來了，我們幾乎確信黑洞就是真實存在的。黑洞長什么樣呢？對于史瓦西黑洞，黑洞中間就是一個奇點，這個點密度無限大，在史瓦西半徑處這個曲面就叫做事件視界，也就是說只要物質——包括光，進入到事件視界以內，就別想出來了。黑洞比較特殊，它內部的時空坐標是互換的，就是我們理解的半徑從表面一直延伸到奇點，這是一個時間坐標，只要進入到黑洞內部，就必須往奇點方向掉，所以嚴格來說事件視界以內的等半徑曲面是一個等時面，奇點處就是時間的終點。假如有一艘宇宙飛船它掉進黑洞的事件視界里了，那他無論向哪個方向加大動力，都只能讓他更快地奔向奇點，直至相撞。

不過關于黑洞的形成，從這個抽象的概念提出以后就有人懷疑，說黑洞坍縮之后會不會不存在奇點呢？我們計算出來的奇點可能是理想中的情況，在一個高度對稱的情況下的結果，廣義相對論的場方程因為十分難解，所以人們確實會先考慮一些對稱的情況。但是真實情況，恒星坍縮很有可能不是高度對稱的，恒星可能是奇形怪狀的，每個地方坍縮的速度不一樣，所以最終有可能不是坍縮成一個點。

這件事兒就是彭羅斯最先給出證明的，他證明了對于史瓦西黑洞不管是不是高度對稱，恒星原來可能長的奇形怪狀的，都沒關系，最終都會坍縮成一個點，就是一個密度無限大的奇點。

后來是霍金在博士論文中把彭羅斯的證明進行了推廣，這是 1966 年的事兒，當年霍金 24 歲，他把彭羅斯的奇點定理推廣到了任意黑洞，正是這個奇點定理保證了奇點的存在，這個點在物理上的理解就是時間結束的地方，所有物質只進不出，所以后來人們又研究，那會不會存在時間開始的地方呢？所有物質只出不進唄？理論上存在，就是白洞，廣義相對論允許黑洞和白洞的存在。

但是黑洞可以由恒星坍縮形成，那白洞怎么形成呢？這個問題現在還不是很好理解，所以物理學家其實討論的并不多。1970 年霍金和彭羅斯共同合作又寫了一篇論文，他們認為宇宙大爆炸就是開始于一個奇點，這個奇點就是一個白洞，并且在宇宙大爆炸初期還會形成一些質量很小的黑洞，不過這個觀點到現在為止還沒有觀測證據佐證。

五十多年來，物理學家一直認為，銀河系中心可能存在一個黑洞。自從 19 世紀 60 年代初發現類星體以來，物理學家就認為，在包括銀河系在內的大多數大型星系中可能會發現超大質量的黑洞。然而，目前還沒有人能解釋星系及其黑洞是如何形成的，并且這些星系及其黑洞的質量介于幾百萬到數十億之間。

一百年前，美國天文學家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）率先在人馬座的方向上確定了銀河系的中心。在后來的觀察中，天文學家在那里發現了一個強大的無線電波源，并將那里標記為人馬座 A*。到了 19 世紀 60 年代末，人們發現，人馬座 A* 占據了銀河系的中心，并且銀河系軌道上的所有恒星都圍繞著它。

直到 19 世紀 90 年代，更大的望遠鏡和更好的設備才使我們對人馬座 A* 能進行更系統的研究。賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）各自開始了一項研究，他們試圖穿過塵埃云觀測到銀河系的中心。他們與研究小組一起開發和完善了相關技術，搭建了專業的實驗裝置，并致力于長期研究。

在天文學上，望遠鏡越大，對遙遠的恒星進行觀測的效果就越好。德國天文學家賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和他的小組最初使用的是 NTT，即智利 La Silla 山上的新型望遠鏡。后來，他們將觀測地點移至 Paranal 山脈（也在智利）的甚大望遠鏡設施 VLT。VLT 擁有四臺巨型望遠鏡，其大小是 NTT 的兩倍，具有世界上最大的單位望遠鏡，每個單位望遠鏡的直徑均超過 8 米。

在美國，安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）和她的研究小組使用位于夏威夷冒納凱阿山（Mauna Kea）上的凱克望遠鏡。凱克望遠鏡的口徑有近 10 米，是目前世界上口徑最大的光學/近紅外線望遠鏡。它由 36 個六邊形鏡片以蜂窩狀組合而成，可以分別控制這些鏡片來更好地聚焦星光。

因為我們生活在1000公里厚的大氣環境中，所以無論望遠鏡有多大，它們所能分辨的細節都會有所影響。比如，望遠鏡上方的溫度比周圍環境高或低，它們上方的空氣會像透鏡一樣將光線折射到望遠鏡的鏡片上，使光波失真。這是星星閃爍的原因，也是其觀測圖像模糊的原因。

自適應光學的出現對于改善觀測至關重要。望遠鏡現在會配備了一個比較薄的附加鏡片，用來補償空氣的湍流帶來的影響并校正畸變的圖像。

近三十年來，賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）在遙遠的銀河系中心恒星混雜的環境中觀測恒星。他們不斷開發和完善他們的技術，并配備了更加靈敏的數字光傳感器和更好的自適應光學器件，使圖像分辨率提高了千倍以上。他們現在能夠更精確地確定星星的位置，并長期進行跟蹤。

研究人員追蹤了眾多恒星中約 30 個最亮的恒星。恒星在距中心一光月半徑內移動最快，就像一群蜜蜂一樣在其中跳舞。而在該區域之外的恒星則以更有序的方式遵循其橢圓形軌道。

來自兩個不同團隊的觀測結果符合地非常好，這讓我們足以肯定在我們所處的銀河系的中心，存在著一個黑洞，其質量大約為 4 百萬倍太亮質量，其占據的體積和我們的太陽系大小相當。

我們可能很快就能直接看到人馬座 A*。這個觀測活動就在計劃中，在一年以前，事件視界望遠鏡成功地對一個超大質量黑洞和其周圍環境進行成像。這個黑洞就是 M87 星系（又稱室女座A星系）黑洞，距離我們 5.5 千萬光年，看起來像在漆黑的眼眸外圍著一圈深紅的火。M87星系黑洞是如此巨大，比起人馬座 A* 要大 1000 倍。不過和也是在最近發現的相撞產生引力波的兩個黑洞相比，這倆還是輕得多。像黑洞一樣，在此之前引力波僅作為愛因斯坦廣義相對論的理論推演而存在，然后于 2015 年秋季被美國 LIGO 探測器首次探測（2017 年諾貝爾物理學獎）。