新浪科技訊 北京時間10月6日消息，2020年諾貝爾物理學獎揭曉：一半授予Roger Penrose，獲獎原因“發現廣義相對論預測了黑洞的形成”；另一半授予Reinhard Genzel和Andrea Ghez，獲獎原因“發現銀河系中心的超大致密物體”。三位物理學家分享了今年的諾貝爾物理學獎，因爲他們發現了宇宙中最奇異的現象之一——黑洞。

黑洞和銀河系最黑暗的祕密

三位科學家因爲他們對宇宙中最奇特現象之一——黑洞的研究，而共享今年的諾貝爾物理學獎。Roger Penrose發明了巧妙的數學方法，來探索愛因斯坦的廣義相對論。他的研究揭示了廣義相對論如何預測了黑洞的形成。這些時空和空間的怪物會捕獲一切進入其中的東西。沒有任何東西，甚至是光，都無法逃離黑洞。

Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自帶領着一羣天文學家，從上世紀九十年代初就開始研究銀河系的中心區域。隨着精確度的提高，他們成功繪製了離銀河系中心最近的最亮恆星的軌道。兩組研究人員都發現，有一種看不見但很重的物體，促使這些恆星在周圍轉圈。

這個看不見的物質大約有400萬個太陽質量那麼重，但體積卻和我們的整個太陽系差不多。是什麼使得銀河系中心附近的恆星以如此驚人的速度旋轉呢？根據當前的引力理論，可能的解釋只有一個：那就是超大質量黑洞。

超越愛因斯坦的突破

廣義相對論之父愛因斯坦本人曾經也不認爲黑洞會真的存在。但是，在愛因斯坦去世後十年，英國理論學家Roger Penrose證明，黑洞可以形成，並描述了它們的特徵。黑洞的中心隱藏着一個奇點，所有已知自然法則在這裏都不再適用。

爲了證明黑洞的形成是一個穩定的過程，Penrose需要擴展用來研究相對論的方法，即使用新的數學概念來解決這一理論的問題。Penrose的突破性文章發表於1965年1月，至今仍被認爲是自愛因斯坦以來，對廣義相對論的最重要貢獻。

引力牢牢掌控整個宇宙

黑洞大概是廣義相對論的最奇怪結果。當愛因斯坦在1915年11月提出他的這個理論時，它顛覆了此前所有的時空概念。該理論爲理解引力提供了全新的基礎。引力在最大程度上塑造了宇宙。自此之後，廣義相對論爲所有的宇宙研究提供基礎，並且在我們最常用的導航工具——GPS中，也有實際應用。

愛因斯坦的理論描述了引力如何掌控着整個宇宙中的一切。引力讓我們站在地球上，引力也控制着行星繞太陽運行的軌道以及太陽繞銀河系運行的軌道。引力也促使恆星從星際雲中的誕生，而最終恆星又在引力塌縮下死去。大質量物質會彎曲空間並減慢時間；極大質量物質甚至可以切斷和包裹空間——形成黑洞。

第一個描述黑洞的理論出現於廣義相對論發表後的數週。儘管該理論的數學方程式極其複雜，但德國天體物理學家Karl Schwarzschild仍爲愛因斯坦帶來一個解決方案，解釋大質量物質如何彎曲時空。

後來的研究表明，黑洞一旦形成，它會被事件視界包圍，該事件視界如同面紗一般圍繞黑洞中心的物質運動。黑洞永遠隱藏在其事件視界之內。質量越大，黑洞及其視界就越大。對於相當於太陽質量的物質，事件視界的直徑大約爲三公里；而相當於地球質量的物質，事件視界的直徑則只有九毫米。

超越完美的解

“黑洞”的概念在許多文化表達形式中都找到了新的含義，但對物理學家來說，黑洞是巨型恆星演化的自然終點。20世紀30年代末，物理學家羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）首次計算出了一顆大質量恆星的劇烈坍縮。奧本海默後來領導了製造出第一顆原子彈的“曼哈頓計劃”（Manhattan Project）。當質量爲太陽許多倍的巨型恆星耗盡燃料時，它們首先爆發成爲超新星，然後坍縮成密度極高的殘骸，其質量之大，以致於引力能將一切都拉進內部，甚至包括光。

早在18世紀末，英國哲學家、數學家約翰·米歇爾（John Michell）和法國著名科學家皮埃爾·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）就提出了“暗星”（dark star）的概念。兩人都認爲，天體的密度可以大到讓人看不見，因爲光的速度也不足以逃脫它們的引力。

一個多世紀之後，愛因斯坦發表了廣義相對論，該理論中一些方程的解描述的正是這樣的暗星。直到20世紀60年代，這些解都被認爲是純粹的理論推測，描述了恆星及其黑洞呈完美的圓形和對稱的理想狀態。但是，宇宙中沒有什麼是完美的，而Roger Penrose首先成功地爲所有坍縮物質找到了一個現實的解。

類星體之謎

1963年，隨着宇宙中最亮的物體——類星體（quasar）——的發現，黑洞是否存在的問題再次浮出水面。在近十年的時間裏，天文學家一直對來自神祕來源（如室女座的3C273）的無線電射線感到困惑。可見光輻射最終揭示了該類星體的真實位置——3C273距離地球如此之遠，以致於這些射線在超過10億年的時間裏都在朝着地球傳播。

這些輻射源離我們如此之遠，其強度甚至相當於幾百個星系發出的光。這些天體被命名爲“類星體”。天文學家很快就發現了更加遙遠、在宇宙早期就已經發出輻射的類星體。這種令人難以置信的輻射來自哪裏？要在類星體有限的體積內獲得如此多的能量，只有一種方法——從墜入巨大黑洞的物質中獲取。

俘獲面

黑洞是否能在現實條件下形成是困擾Roger Penrose的一個問題。他後來回憶道，答案出現在1964年秋天，當時他正和一位同事在倫敦散步。Penrose當時是伯克貝克學院的數學教授。當他們暫時停下交談，穿過一條小街時，一個想法突然出現在他的腦海裏。那天下午晚些時候，他回憶起了這個想法，也就是被他稱爲“俘獲面”（trapped surface）的概念。這是他一直想要尋找的關鍵，也是描述黑洞所需要的重要數學工具。

一個俘獲面會迫使所有光線指向一箇中心，不管表面是向外還是向內彎曲。利用束縛表面，Penrose證明黑洞總是隱藏着一個奇點，即一個時間和空間的邊界。奇點的密度無限大，但到目前爲止，還沒有理論能夠解釋這一物理學中最奇特的現象。

在Penrose對奇點定理的證明進行完善時，俘獲面成爲一箇中心概念。在如今有關彎曲宇宙的研究中，他所引入的拓撲方法發揮着重要的作用。

未完待續 持續更新。。。。。。