2020年諾貝爾物理學獎授予黑洞相關研究，如何解讀三位獲獎者的貢獻

張昊

2020年諾貝爾物理學獎授予下列三位科學家，羅杰·彭羅斯、賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲。以表彰他們在天體物理學，特別是利用廣義相對論進行黑洞理論研究以及發(fā)現(xiàn)銀河中心超大質量黑洞方面取得的偉大功績。那么，三位科學家到底做了怎樣的工作？

用愛因斯坦的理論突破愛因斯坦的想象

彭羅斯是廣義相對論的集大成者，而這一理論的祖師爺正是愛因斯坦。愛因斯坦本人并不相信黑洞的存在，他認為這種擁有超大質量，可以吞噬一切的物體過于荒謬。而彭羅斯則利用巧妙的數(shù)學方法證明黑洞存在是廣義相對論成立所能推導出的必然結果。1965年1月，彭羅斯證明黑洞確實能夠形成，并且詳細地對其進行了描述。他的理論認為，在黑洞中心存在一個奇點，在這里所有已知的自然規(guī)律都將失效。直到去世，愛因斯坦始終都對黑洞理論相當不感冒。即便沒有得到愛因斯坦的肯定，但黑洞的存在已經(jīng)是現(xiàn)代天體物理學中廣為接受的真理之一。彭羅斯在廣義相對論方面的突出成就可以說是愛因斯坦之后的又一座高峰。彭羅斯的成果從提出到得到諾獎認可足足過去了半個世紀之久，這中間經(jīng)歷的無數(shù)質疑和抨擊，都隨著時間的消逝成為獎杯背后的陰影。我們應當由衷感激彭羅斯為拓展人類視野做出的杰出貢獻。

銀河系中央的怪物

從20世紀90年代開始，賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲各自帶領一支隊伍對銀河系中心的人馬座A* 區(qū)域展開觀測。兩支隊伍不約而同地發(fā)現(xiàn)，這里無時無刻不在上演著詭異的景象：這一區(qū)域雖然大小和整個太陽系差不多，但質量卻達到了四百萬個太陽那么大。這里似乎有一個巨大的天體，而且根本無法用光學方式進行觀測。在這一不可見的龐大引力源的作用之下，附近的恒星群們狂暴地圍繞其旋轉，速度令人瞠目。利用當時世界上最大的天文望遠鏡，根策爾和蓋茲發(fā)展出了一種可以透過厚重的星際物質直接觀測銀河系中央的方法。同時，他們還通過對地球大氣帶來的成像扭曲進行矯正，進一步提升了上述方法的精度和觀測極限。最終，在他們的努力下，銀河系中央存在巨型黑洞的決定性證據(jù)呈現(xiàn)在了世人面前。

大門開啟，但外面的世界仍是無盡的未知

今天獲獎的三位物理學家用開創(chuàng)性的智慧為我們帶來了研究超大質量天體的全新方法，他們各自取得的成就也毫無疑問地為人類打開了通往新世界的大門。然而，人類卻發(fā)現(xiàn)仍然有無數(shù)的未知在門外等候。例如，銀河系中央的黑洞有一個太陽系那么大，在如此廣闊的空間內，黑洞有著怎樣的結構？它的內部是怎樣的世界？沿襲著怎樣的物理原理？這些物理原理和人類已知的物理原理有何異同？無數(shù)的疑問仍然等待物理學家們去思考和探索。當然，有人會問：之前獲得諾獎的不少研究成果是我們有機會遇到的事物（比如丙肝病毒和鋰電池），但是黑洞這種研究對普通人有什么影響？物理學是研究萬物之理的學問，研究物理學的目的就是在認識自然規(guī)律的基礎上對其加以利用，以造福人類生活。宇宙的起源和未來以及人類在其中的位置是人類所面臨的終極物理學命題，去年的地外行星探索和今年的黑洞相關研究相繼獲獎，充分說明這類議題對于人類的重要意義。

如果你一定要問這類天體物理學的基礎研究有什么用，我想答案便是——我們可能無法馬上利用天體物理學的知識給人們的生活帶來改觀，但我們不能接受自己永遠身處于無知的黑暗。

（摘自科普中國網(wǎng)）

諾獎小插曲·霍金的科研好友

諾貝爾物理學獎繼2017年、2019年之后，又一次授予天體物理學方向；并且2017年雷納·韋斯、巴里·巴瑞斯、吉普·索恩因引力波探測研究獲獎，也與黑洞研究密不可分。加上此前著名的“黑洞照片”公布，黑洞在這幾年可以說是反復躍入公共視野。但圍繞今年諾獎首次頒給黑洞研究這個話題，還是產(chǎn)生了不少疑問。比如說很多媒體和評論人都認為，屬于黑洞研究的諾獎“姍姍來遲”，并且頒給霍金好友羅杰·彭羅斯，是對2018年霍金辭世的某種惋惜和追悔。

1931年出生的羅杰·彭羅斯教授，比霍金年長11歲，在諾獎之前，羅杰·彭羅斯教授還跟霍金教授有過多次同臺獲獎的經(jīng)歷，比如倫敦皇家天文學會艾丁頓獎、沃爾夫物理學獎，二人也有合著：《時空的本質》。

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