2020年诺贝尔物理学奖权威解读，你想知道的都在这里！

Original 中科院物理所中科院物理所 2023-07-28

刚刚，2020 年诺贝尔物理学奖将一半颁给了

罗杰·彭罗斯 (Roger Penrose)

以表彰其给出的黑洞形成的证明，并成为广义相对论的有力证据。另一半由

赖因哈德·根策尔 (Reinhard Genzel)

安德烈娅·盖兹 (Andrea Ghez)

共享，表彰他们在银河系中心发现超高质量高密度物质。

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2020 年诺贝尔物理学奖将一半的奖金颁给了罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）其证明了黑洞的形成，这成为广义相对论的有力证据。

黑洞的概念其实早就有了，早在 18 世纪米歇尔还有拉普拉斯等人就讨论过，一个具有与太阳同样密度，而直径为太阳 250 倍的明亮天体，它发射的光将被自身引力吸引而不能被我们看到。

出于这个朴素的想法，宇宙中最明亮的天体却很可能是看不见的。在前面的论述中，拉普拉斯还给出了黑洞的史瓦西半径公式

虽然这个公式确实是对的，和今天用广义相对论推导得出来的一样，但是当时拉普拉斯是通过把光假设成粒子，用万有引力定律计算的，这个计算过程不太对。后来爱因斯坦发表了广义相对论，很快史瓦西就根据理论场方程给出了史瓦西解。

第一张黑洞照片

黑洞的史瓦西解在当时并没有引起多大重视，这个解说时空中间是一个奇点，密度无限大，这实在是超乎想象。但是现在第一张黑洞照片也已经被拍摄出来了，我们几乎确信黑洞就是真实存在的。黑洞长什么样呢？对于史瓦西黑洞，黑洞中间就是一个奇点，这个点密度无限大，在史瓦西半径处这个曲面就叫做事件视界，也就是说只要物质——包括光，进入到事件视界以内，就别想出来了。黑洞比较特殊，它内部的时空坐标是互换的，就是我们理解的半径从表面一直延伸到奇点，这是一个时间坐标，只要进入到黑洞内部，就必须往奇点方向掉，所以严格来说事件视界以内的等半径曲面是一个等时面，奇点处就是时间的终点。假如有一艘宇宙飞船它掉进黑洞的事件视界里了，那他无论向哪个方向加大动力，都只能让他更快地奔向奇点，直至相撞。

不过关于黑洞的形成，从这个抽象的概念提出以后就有人怀疑，说黑洞坍缩之后会不会不存在奇点呢？ 我们计算出来的奇点可能是理想中的情况，在一个高度对称的情况下的结果，广义相对论的场方程因为十分难解，所以人们确实会先考虑一些对称的情况。但是真实情况，恒星坍缩很有可能不是高度对称的，恒星可能是奇形怪状的，每个地方坍缩的速度不一样，所以最终有可能不是坍缩成一个点。

这件事儿就是彭罗斯最先给出证明的，他证明了对于史瓦西黑洞不管是不是高度对称，恒星原来可能长的奇形怪状的，都没关系，最终都会坍缩成一个点，就是一个密度无限大的奇点。

后来是霍金在博士论文中把彭罗斯的证明进行了推广，这是 1966 年的事儿，当年霍金 24 岁，他把彭罗斯的奇点定理推广到了任意黑洞，正是这个奇点定理保证了奇点的存在，这个点在物理上的理解就是时间结束的地方，所有物质只进不出，所以后来人们又研究，那会不会存在时间开始的地方呢？所有物质只出不进呗？理论上存在，就是白洞，广义相对论允许黑洞和白洞的存在。

但是黑洞可以由恒星坍缩形成，那白洞怎么形成呢？这个问题现在还不是很好理解，所以物理学家其实讨论的并不多。1970 年霍金和彭罗斯共同合作又写了一篇论文，他们认为宇宙大爆炸就是开始于一个奇点，这个奇点就是一个白洞，并且在宇宙大爆炸初期还会形成一些质量很小的黑洞，不过这个观点到现在为止还没有观测证据佐证。

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五十多年来，物理学家一直认为，银河系中心可能存在一个黑洞。自从 19 世纪 60 年代初发现类星体以来，物理学家就认为，在包括银河系在内的大多数大型星系中可能会发现超大质量的黑洞。然而，目前还没有人能解释星系及其黑洞是如何形成的，并且这些星系及其黑洞的质量介于几百万到数十亿之间。

一百年前，美国天文学家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）率先在人马座的方向上确定了银河系的中心。在后来的观察中，天文学家在那里发现了一个强大的无线电波源，并将那里标记为人马座 A*。到了 19 世纪 60 年代末，人们发现，人马座 A* 占据了银河系的中心，并且银河系轨道上的所有恒星都围绕着它。

直到 19 世纪 90 年代，更大的望远镜和更好的设备才使我们对人马座 A* 能进行更系统的研究。赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）各自开始了一项研究，他们试图穿过尘埃云观测到银河系的中心。他们与研究小组一起开发和完善了相关技术，搭建了专业的实验装置，并致力于长期研究。

图三银河系，我们的星系，它的形状像一个大约 100,000 光年大的光盘。它的旋臂由气体和灰尘以及几千亿颗恒星组成。我们的太阳是这些恒星中的一个。

在天文学上，望远镜越大，对遥远的恒星进行观测的效果就越好。德国天文学家赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和他的小组最初使用的是 NTT，即智利 La Silla 山上的新型望远镜。后来，他们将观测地点移至 Paranal 山脉（也在智利）的甚大望远镜设施 VLT。VLT 拥有四台巨型望远镜，其大小是 NTT 的两倍，具有世界上最大的单位望远镜，每个单位望远镜的直径均超过 8 米。

在美国，安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）和她的研究小组使用位于夏威夷冒纳凯阿山（Mauna Kea）上的凯克望远镜。凯克望远镜的口径有近 10 米，是目前世界上口径最大的光学/近红外线望远镜。它由 36 个六边形镜片以蜂窝状组合而成，可以分别控制这些镜片来更好地聚焦星光。

因为我们生活在1000公里厚的大气环境中，所以无论望远镜有多大，它们所能分辨的细节都会有所影响。比如，望远镜上方的温度比周围环境高或低，它们上方的空气会像透镜一样将光线折射到望远镜的镜片上，使光波失真。这是星星闪烁的原因，也是其观测图像模糊的原因。

自适应光学的出现对于改善观测至关重要。望远镜现在会配备了一个比较薄的附加镜片，用来补偿空气的湍流带来的影响并校正畸变的图像。

近三十年来，赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）在遥远的银河系中心恒星混杂的环境中观测恒星。他们不断开发和完善他们的技术，并配备了更加灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学器件，使图像分辨率提高了千倍以上。他们现在能够更精确地确定星星的位置，并长期进行跟踪。

研究人员追踪了众多恒星中约 30 个最亮的恒星。恒星在距中心一光月半径内移动最快，就像一群蜜蜂一样在其中跳舞。而在该区域之外的恒星则以更有序的方式遵循其椭圆形轨道。

来自两个不同团队的观测结果符合地非常好，这让我们足以肯定在我们所处的银河系的中心，存在着一个黑洞，其质量大约为 4 百万倍太阳质量，其占据的体积和我们的太阳系大小相当。

我们可能很快就能直接看到人马座 A*。这个观测活动就在计划中，在一年以前，事件视界望远镜成功地对一个超大质量黑洞和其周围环境进行成像。这个黑洞就是 M87 星系（又称室女座A星系）黑洞，距离我们 5.5 千万光年，看起来像在漆黑的眼眸外围着一圈深红的火。M87星系黑洞是如此巨大，比起人马座 A* 要大 1000 倍。不过和也是在最近发现的相撞产生引力波的两个黑洞相比，这俩还是轻得多。像黑洞一样，在此之前引力波仅作为爱因斯坦广义相对论的理论推演而存在，然后于 2015 年秋季被美国 LIGO 探测器首次探测（2017 年诺贝尔物理学奖）。