黑洞的理論預言與發現

是宇宙學領域的重大進步

應該在很久之前就獲諾獎

本刊記者/杜瑋李明子

10月6日下午，諾貝爾物理學獎揭曉，頒給發現宇宙“黑洞”的三代物理學家。

諾貝爾獎委員會總祕書長托馬斯·佩爾曼宣佈，物理學獎一半頒發給英國科學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），他在理論上證明了“黑洞的形成是廣義相對論的一個有力預測”，另一半獎項頒發給德國科學家萊因哈德·根舍（Reinhard Genzel）和美國科學家安德烈·蓋茲（Andrea Ghez），他們“發現在銀河系中心存在一個超大質量的緻密物體”。

今年每項諾貝爾獎獎金額均爲1000萬瑞典克朗（約合人民幣760萬元），比2019年增加100萬瑞典克朗。

羅傑·彭羅斯於1931年出生於英國科爾切斯特。1957年從英國劍橋大學獲得博士學位，目前任職於劍橋大學。1965年1月，也就是愛因斯坦去世十年後，羅傑·彭羅斯證明了黑洞確實可以形成，並對其進行了詳細描述：在黑洞的核心，隱藏着一個奇點，在那裏，所有已知自然法則都將停止。彭羅斯這篇創性文章被認爲是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻。

諾獎得主萊因哈德·根舍於1952年出生於德國巴特霍姆堡。1978年從德國波恩大學獲得博士學位，目前任職於德國馬普地外物理學研究所。早在2008年，萊因哈德·根舍就曾因“發現並證明銀河系中存在超大質量黑洞”而獲邵逸夫獎，他還於2018年出任邵逸夫獎天文學獎遴選委員會主席。

安德烈·蓋茲出生於1965年，美國紐約人。1992年從美國加州理工學院獲得博士學位。目前任職於加州大學洛杉磯分校。

萊因哈德·根舍和安德里亞·蓋茲各自領導了一個天文學家小組，從20世紀90年代初開始，他們就把重點放在了銀河系中心一個名爲人馬座A*的區域，周邊的恆星軌道已經被越來越精確地繪製出來。這兩組人員最終測量結果一致，都發現了一個質量非常大的、看不見的物體，約400萬個太陽的質量，它牽引着一團恆星，使它們以令人眩暈的速度四處亂竄。

黑洞早就該獲諾獎

中科院高能物理研究所研究員張雙南接受《中國新聞週刊》採訪時說，黑洞的理論預言與發現是宇宙學領域的重大進步，應該在很久之前就獲諾獎，但一直遲遲未得，是業界很大的遺憾。黑洞理論過了這麼多年都沒有獲諾獎，業內猜測可能是諾獎委員會比較慎重，此前覺得證據不是那麼的確鑿。但業界早就對此沒有疑問，尤其是今年獲獎的兩位做觀測的科學家，他們對銀河系中心黑洞的測量，精度非常之高。他們的測量方法是通過測量銀河系中心的恆星運動，把黑洞的質量與其他性質確定下來，這就像在太陽系裏通過行星的運動來測量太陽的運動一樣。他們的成果廣泛的被學界引用，被認爲是黑洞存在最堅實的證據。

不過，今年的諾獎給了黑洞，張雙南還是感到比較意外，因爲最近幾年天體物理學領域獲諾獎太多了！過去，天體物理還不被看作物理學，被人認爲是蹭了物理學的光。不過，相比物理學其他領域，天體物理學的社會關注度非常高。像去年的黑洞照片的發佈，再一次引起了公衆對黑洞的興趣。畢竟科學的進步，除了實用價值，對我們價值觀、宇宙觀的形成也有很大的影響。

中科院院士、中科院理論物理研究所所長蔡榮根在接受《中國新聞週刊》採訪時指出，目前，黑洞的研究方向，主要是探索其外面的物質的運動規律，還有超大質量黑洞是怎麼形成的，再有就是黑洞的量子性質。上世紀70年代，霍金證明了黑洞不是黑的，有所謂的霍金輻射，即熱輻射。在黑洞熱力學當中，量子力學、廣義相對論、統計物理這些不同的學科糾纏在一起，所以現在試圖從黑洞的熱力學的啓發下研究量子引力理論。

而這兩年諾貝爾物理學獎接連頒給天體物理這個方向，在蔡榮根看來，意味着宇宙學天體物理是未來重大科學發現的溫牀，會越來越多的宇宙的奧祕湧現出來，比如說暗物質到底什麼，宇宙早期引力波的產生又會給揭示歷史演化提供怎樣的獨特信號，這些都是諾貝爾獎級的工作。

“今年獲獎者的發現爲緻密和超大質量物體的研究開闢了新領域。但這些奇異的物體仍然提出了許多疑問，需要進一步解答，並推動未來的研究。不僅是關於它們內部結構的問題，還有如何在黑洞附近的極端條件下檢驗引力理論的問題。”諾貝爾物理學獎委員會主席戴維·哈維蘭說。

諾獎不足以涵蓋彭羅斯的成就

“彭羅斯是目前在世的對黑洞理論貢獻最大的科學家。”張雙南說。他表示，關於黑洞，彭羅斯和霍金一起做了工作，但不幸的是霍金去世了。應當說，無論是工作的廣度還是深度，彭羅斯的成就都絲毫不遜於霍金，他的獲獎是實至名歸。

蔡榮根也介紹說，彭羅斯的研究還證明時空奇異性必定會有一個視界。所謂視界就是奇點吸收周圍物質形成的強大“勢力範圍”。彭羅斯的研究還包括扭量理論，也是建立量子引力理論的一種方法。

中科院物理所研究員曹則賢告訴《中國新聞週刊》，彭羅斯是一個大神級的人物，是一個數學家、物理學家和哲學家。他的成就是全面的，且著述頗豐，其名篇包括《皇帝的新腦》，《通向實在之路》等等。“當年我在德國讀博士時，大學圖書館裏彭羅斯寫的所有的書都被人偷走了。《通向實在之路》是數學、物理和哲學的集大成，歷史上可與之比擬的書少有。”

他還指出，彭羅斯的成就很多，除了數學以及今年獲獎的工作，另一個耀眼的工作是彭羅斯鑲嵌。1974年，彭羅斯用風箏和飛鏢兩種單元，給出了具有五次轉動對稱性的平面鋪排方案。曹則賢認爲，這爲準晶概念的接受提供了基礎。Schechtman則因準晶的發現獲得了2011年度諾貝爾化學獎。彭羅斯比霍金大十幾歲，霍金初期的一些工作都是與彭羅斯一起完成的，但普通人只知霍金而沒聽說過彭羅斯。“實際上，彭羅斯的成就遠遠不是一個諾獎得主的頭銜就能涵蓋的。”曹則賢說。