长文读懂2020诺贝尔物理学奖：黑洞和银河系最黑暗的秘密

专题：2020年诺贝尔奖

新浪科技讯 北京时间10月6日消息，2020年诺贝尔物理学奖揭晓：一半授予Roger Penrose，获奖原因“发现广义相对论预测了黑洞的形成”；另一半授予Reinhard Genzel和Andrea Ghez，获奖原因“发现银河系中心的超大致密物体”。三位物理学家分享了今年的诺贝尔物理学奖，因为他们发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞。

黑洞和银河系最黑暗的秘密

三位科学家因为他们对宇宙中最奇特现象之一——黑洞的研究，而共享今年的诺贝尔物理学奖。Roger Penrose发明了巧妙的数学方法，来探索爱因斯坦的广义相对论。他的研究揭示了广义相对论如何预测了黑洞的形成。这些时空和空间的怪物会捕获一切进入其中的东西。没有任何东西，甚至是光，都无法逃离黑洞。

Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自带领着一群天文学家，从上世纪九十年代初就开始研究银河系的中心区域。随着精确度的提高，他们成功绘制了离银河系中心最近的最亮恒星的轨道。两组研究人员都发现，有一种看不见但很重的物体，促使这些恒星在周围转圈。

这个看不见的物质大约有400万个太阳质量那么重，但体积却和我们的整个太阳系差不多。是什么使得银河系中心附近的恒星以如此惊人的速度旋转呢？根据当前的引力理论，可能的解释只有一个：那就是超大质量黑洞。

超越爱因斯坦的突破

广义相对论之父爱因斯坦本人曾经也不认为黑洞会真的存在。但是，在爱因斯坦去世后十年，英国理论学家Roger Penrose证明，黑洞可以形成，并描述了它们的特征。黑洞的中心隐藏着一个奇点，所有已知自然法则在这里都不再适用。

为了证明黑洞的形成是一个稳定的过程，Penrose需要扩展用来研究相对论的方法，即使用新的数学概念来解决这一理论的问题。Penrose的突破性文章发表于1965年1月，至今仍被认为是自爱因斯坦以来，对广义相对论的最重要贡献。

引力牢牢掌控整个宇宙

黑洞大概是广义相对论的最奇怪结果。当爱因斯坦在1915年11月提出他的这个理论时，它颠覆了此前所有的时空概念。该理论为理解引力提供了全新的基础。引力在最大程度上塑造了宇宙。自此之后，广义相对论为所有的宇宙研究提供基础，并且在我们最常用的导航工具——GPS中，也有实际应用。

爱因斯坦的理论描述了引力如何掌控着整个宇宙中的一切。引力让我们站在地球上，引力也控制着行星绕太阳运行的轨道以及太阳绕银河系运行的轨道。引力也促使恒星从星际云中的诞生，而最终恒星又在引力塌缩下死去。大质量物质会弯曲空间并减慢时间；极大质量物质甚至可以切断和包裹空间——形成黑洞。

第一个描述黑洞的理论出现于广义相对论发表后的数周。尽管该理论的数学方程式极其复杂，但德国天体物理学家Karl Schwarzschild仍为爱因斯坦带来一个解决方案，解释大质量物质如何弯曲时空。

后来的研究表明，黑洞一旦形成，它会被事件视界包围，该事件视界如同面纱一般围绕黑洞中心的物质运动。黑洞永远隐藏在其事件视界之内。质量越大，黑洞及其视界就越大。对于相当于太阳质量的物质，事件视界的直径大约为三公里；而相当于地球质量的物质，事件视界的直径则只有九毫米。

超越完美的解

“黑洞”的概念在许多文化表达形式中都找到了新的含义，但对物理学家来说，黑洞是巨型恒星演化的自然终点。20世纪30年代末，物理学家罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）首次计算出了一颗大质量恒星的剧烈坍缩。奥本海默后来领导了制造出第一颗原子弹的“曼哈顿计划”（Manhattan Project）。当质量为太阳许多倍的巨型恒星耗尽燃料时，它们首先爆发成为超新星，然后坍缩成密度极高的残骸，其质量之大，以致于引力能将一切都拉进内部，甚至包括光。

早在18世纪末，英国哲学家、数学家约翰·米歇尔（John Michell）和法国著名科学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）就提出了“暗星”（dark star）的概念。两人都认为，天体的密度可以大到让人看不见，因为光的速度也不足以逃脱它们的引力。

一个多世纪之后，爱因斯坦发表了广义相对论，该理论中一些方程的解描述的正是这样的暗星。直到20世纪60年代，这些解都被认为是纯粹的理论推测，描述了恒星及其黑洞呈完美的圆形和对称的理想状态。但是，宇宙中没有什么是完美的，而Roger Penrose首先成功地为所有坍缩物质找到了一个现实的解。

类星体之谜

1963年，随着宇宙中最亮的物体——类星体（quasar）——的发现，黑洞是否存在的问题再次浮出水面。在近十年的时间里，天文学家一直对来自神秘来源（如室女座的3C273）的无线电射线感到困惑。可见光辐射最终揭示了该类星体的真实位置——3C273距离地球如此之远，以致于这些射线在超过10亿年的时间里都在朝着地球传播。

这些辐射源离我们如此之远，其强度甚至相当于几百个星系发出的光。这些天体被命名为“类星体”。天文学家很快就发现了更加遥远、在宇宙早期就已经发出辐射的类星体。这种令人难以置信的辐射来自哪里？要在类星体有限的体积内获得如此多的能量，只有一种方法——从坠入巨大黑洞的物质中获取。

俘获面

黑洞是否能在现实条件下形成是困扰Roger Penrose的一个问题。他后来回忆道，答案出现在1964年秋天，当时他正和一位同事在伦敦散步。Penrose当时是伯克贝克学院的数学教授。当他们暂时停下交谈，穿过一条小街时，一个想法突然出现在他的脑海里。那天下午晚些时候，他回忆起了这个想法，也就是被他称为“俘获面”（trapped surface）的概念。这是他一直想要寻找的关键，也是描述黑洞所需要的重要数学工具。

一个俘获面会迫使所有光线指向一个中心，不管表面是向外还是向内弯曲。利用束缚表面，Penrose证明黑洞总是隐藏着一个奇点，即一个时间和空间的边界。奇点的密度无限大，但到目前为止，还没有理论能够解释这一物理学中最奇特的现象。

在Penrose对奇点定理的证明进行完善时，俘获面成为一个中心概念。在如今有关弯曲宇宙的研究中，他所引入的拓扑方法发挥着重要的作用。

通向时间尽头的单行道

一旦物质开始塌缩并形成俘获面，塌缩就再也没有可能停止。正如物理学家兼诺贝尔奖得主Subrahmanyan Chandrasekhar讲述的故事中所言，没有回头路。他的这个故事讲的是蜻蜓和其生活在水面下的幼虫。当幼虫准备好展开翅膀时，它向周围的同伴承诺，会回来向它们讲述水面上的大千世界。但是一旦幼虫真的冲出水面，如蜻蜓一般飞舞后，它就再也回不去了。水中的幼虫永远无法听到水面之外大千世界的故事。

同样地，所有物质也只能沿一个方面穿越黑洞的事件视界。然后，时间取代空间，所有可能的路径都指向内部，时间的流逝将所有事物推向不可避免的终点——奇点。如果你穿过事件视界，掉入一个超大质量黑洞，你不会有任何感觉。但是从黑洞的外边，没有人会看到你跌入其中，而你的旅程会一直继续。在物理学定律范围内，窥视黑洞内部是不可能的；黑洞的一切秘密都隐藏在它们的事件视界之内。

未完待续 持续更新。。。。。。