2020年諾貝爾物理學(xué)獎
——成功揭示黑洞和銀河系中心的秘密

羅杰·彭羅斯

安德里亞·格茲

2020年10月6日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將今年的諾貝爾物理學(xué)獎，一半授予英國物理學(xué)家羅杰·彭羅斯，另一半授予德國物理學(xué)家萊因哈德·根澤爾和美國天文學(xué)家安德里亞·格茲，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宇宙中最奇特的現(xiàn)象之一——黑洞。

雖然他們?nèi)说难芯糠较蛳嗤剿魍緩讲煌?。彭羅斯用巧妙的數(shù)學(xué)方法，結(jié)合廣義相對論，證明宇宙中存在一種看不見的天體，能把一切東西都俘獲，哪怕是光線，在它面前都無法逃脫，這個天體就是黑洞。而根澤爾與格茲則通過各自的探測研究，得出共同結(jié)論：在靠近銀河系中心區(qū)域，有一個類似于黑洞的超大質(zhì)量（暫且理解為重量）天體，從而揭示了銀河系中心的秘密。

黑洞究竟是什么

浩瀚無垠的宇宙，除了星球和空間之外，還隱藏著不為人知的奧秘。

人們對宇宙的觀測以視覺為主。我們之所以能看見物體，是物體自身發(fā)出的光或反射的光，進入眼睛后刺激視覺神經(jīng)的緣故。所以，對于不發(fā)光和不反射光線的物體，難以感知其存在。黑洞就屬于這種神秘莫測的天體，它不僅不發(fā)光，反而以極大的引力，把來自外界的任何東西包括光線在內(nèi)，都統(tǒng)統(tǒng)吸入內(nèi)部，永遠不會再釋放出來。所以，黑洞是密度（內(nèi)部物質(zhì)緊密程度）極大的超重天體。

如果從黑洞上取下黃豆大小一塊，足足有地球那么重；而與地球等大的黑洞，產(chǎn)生的引力則是無窮大。更奇妙的是，黑洞強大的引力，會使時間變慢。假如能把鐘表放到黑洞表面，指針幾乎停頓。距黑洞很遠的光線，雖然不能被吸入，但會發(fā)生彎曲，距離越近彎曲得越厲害。

萊因哈德·根澤爾

黑洞是如何形成的

黑洞是由宇宙中的大型天體在發(fā)生突變時聚變而成的，目前主要有以下三種猜想：

一、恒星演化成黑洞。大質(zhì)量的恒星到了晚期，內(nèi)部的核燃料耗盡，在冷卻過程中，隨著熱膨脹力和對外輻射作用的消失，導(dǎo)致引力難以平衡，于是無休止地向中心塌縮（塌陷而收縮），同時向外發(fā)射沖擊波，使外層物質(zhì)猛烈向星際空間拋射。最終，中心的殘骸變成密度極大的天體，如果質(zhì)量超過3 個太陽，就屬于黑洞。

人類用射電望遠鏡得到的第一張黑洞照片，黑洞在虛線以內(nèi)

二、星系中心演化成黑洞。散布在宇宙中的星系多達1000億個，每個星系又由無數(shù)顆恒星組成，如地球所在的銀河系及相鄰的仙女座星系等。由于星系中心的恒星很密集，難免互相發(fā)生碰撞，由此產(chǎn)生的幾個超重的天體聚合而收縮，便形成了質(zhì)量超過太陽1 億倍的黑洞。

三、宇宙大爆炸形成黑洞。宇宙形成之初，是一個溫度和密度高得無法想象的點，這個點極不穩(wěn)定。大約在137 億年以前，突然發(fā)生爆炸，產(chǎn)生巨大的沖擊力，把一些碎塊擠壓得極其緊密，最終形成肉眼看不見、質(zhì)量卻接近地球的微小黑洞。

如何探測黑洞

黑洞雖然不能直接觀測到，但其強大的引力，能影響附近天體的運動。因此，根據(jù)一些天體的質(zhì)量大小和運動情況，可推知黑洞的存在。

1992 年，人們用哈勃望遠鏡觀察到，在距地球5300 萬光年的M-87星系中心，有一個由大量恒星聚集而成的光亮區(qū)域。由此推斷，中心應(yīng)當有一個質(zhì)量大于太陽90 倍的天體，這個天體可能是黑洞。同年7月，美國兩位天文學(xué)家宣布：宇宙深處有一個星系，環(huán)繞它的中心運轉(zhuǎn)的恒星，質(zhì)量一般，但速度驚人。由此推斷，被恒星環(huán)繞的可能是一個質(zhì)量相當于整個太陽系、密度是太陽10億倍的黑洞。

物體被吞噬前，會沿著黑洞外圍疾速旋轉(zhuǎn)，并形成高速旋轉(zhuǎn)的氣流，在摩擦產(chǎn)生高溫的同時，釋放X射線。因此，借助來自宇宙深處的X 射線，也可以找到黑洞。天文學(xué)家觀測發(fā)現(xiàn)：有大量的氣體物質(zhì)，源源不斷地由天鵝座的一顆主星，流向身為X 射線源的伴星。如果能計算出這個伴星的質(zhì)量和密度，就能判定其是否為黑洞。

銀河系里找黑洞

長期以來，天文學(xué)家一直猜想，銀河系中心有黑洞，但卻無法拿出確鑿證據(jù)。后來，有人發(fā)現(xiàn)那里有極亮的光源，便斷定是一個天體在發(fā)光，遂將其命名為“人馬座A*”。上世紀60 年代末，人們發(fā)現(xiàn)人馬座A*占據(jù)了銀河系中心，銀河系的一些恒星都圍繞其運行。

超大質(zhì)量黑洞

20多年前，根澤爾和格茲分別帶領(lǐng)各自團隊，研究銀河系中心區(qū)域，并繪制了那里一些最亮恒星的軌道。兩個研究團隊都驚奇地發(fā)現(xiàn)，那些最亮的恒星，都圍繞同一個固定位置，以驚人的速度運行。在那個位置上，好像有一個如同人馬座A*的天體，可什么也觀測不到。于是他們斷定，有一個很重的天體，吸引著這些恒星圍繞自己旋轉(zhuǎn)。這個天體雖然看不見，但約有400 萬個太陽那么重，體積與整個太陽系差不多。這個天體到底是什么？根澤爾和格茲根據(jù)觀測到的恒星運行軌道，運用當前的引力理論，提出了一個令人信服的解釋：在人馬座A*附近，隱藏著一個超級黑洞。

觀測黑洞不容易

銀河系形同一張圓盤，直徑達10萬光年，其中彌漫著云氣和塵埃，以及幾千億顆恒星，太陽就是其中之一。這些厚厚的云氣和塵埃，遮擋了來自銀河系中心的光芒。只有用功能特殊的望遠鏡，才能穿越這種障礙，觀測到銀河系中心。上世紀90年代，宇宙觀測技術(shù)取得了長足進步，根澤爾和格茲分別率領(lǐng)團隊，研發(fā)出性能獨特的望遠鏡，并成功透過宇宙塵埃進行了觀察。

愛因斯坦

在我們頭頂，厚度近100 千米的大氣層，隨著氣溫變化而流動，從而造成來自太空的光線，發(fā)生偏折和扭曲。這樣一來，不管是用肉眼還是儀器觀察太空，看到的情景都會失真。這就是星星閃爍的原因，也是星空圖像模糊的原因。對于這種弊端，只有在望遠鏡上安裝特殊鏡片才能避免。

近30年來，根澤爾和格茲不斷研究改進觀測儀器，采用了靈敏的光傳感器和先進的光學(xué)元件，使圖像分辨率提高了1000倍以上，能精確地確定恒星位置，并在夜間跟蹤它們。

超越愛因斯坦

1915年11月，愛因斯坦提出廣義相對論。如果簡單地舉例來描述，廣義相對論就是說，恒星質(zhì)量越大，引力越大，從周圍通過的光線，由于受引力作用，就越彎曲，附近如果有一個人，那么他就衰老得越慢，身體變得越小，質(zhì)量變得越大；如果恒星質(zhì)量特別大，附近的人會長生不老，身體變得無限小，質(zhì)量則無窮大，簡直就像傳說中的神仙一樣。

黑洞及其奇點

愛因斯坦創(chuàng)立了相對論，但并未明確提出黑洞的存在。在他去世之后，彭羅斯運用一系列科學(xué)理論，充分證明了黑洞的形成：燃燒殆盡的恒星，由于失去了輻射光線時向外的沖擊力，便開始向內(nèi)塌縮。如果它質(zhì)量足夠大，會一直塌縮下去，變成一個奇怪的點，簡稱“奇點”。奇點的體積無限小，質(zhì)量和溫度卻無限大。在奇點里，時間停止了，所有自然法則不再適用。這一切實在令人無法想象。奇點外圍有一個彎曲的界面，與奇點構(gòu)成了黑洞，外界光線進入界面以內(nèi)，就會被黑洞俘獲。

顯然，黑洞的形成及呈現(xiàn)的奇特現(xiàn)象，與廣義相對論所描述的恒星情況基本一致。可以說，彭羅斯受相對論啟示，證明了黑洞的存在。而黑洞的形成，則證明了相對論的正確性。