为什么说黑洞研究获物理奖实至名归？
2020/10/7 18:39:00 科学大院
北京时间10月6日晚间，诺奖委员会宣布，将2020年诺贝尔物理学奖的一半授予英国科学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)，“以表彰他发现黑洞的形成是广义相对论的有力预言”，另一半则联合授予莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)，“以表彰他们发现银河系中心有一个超大质量的致密物体。
图1：2020年诺贝尔物理学奖获得者。左：罗杰·彭罗斯爵士，英国数学物理学家、牛津大学数学系名誉教授。中：莱因哈德·根泽尔，德国天体物理学家。右：安德里亚·格兹，美国天文学家，加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授。(图片来源：nobelprize.org)
近年来，与天体物理相关的研究多次获得诺贝尔物理学奖：2017年，三名美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩，凭借在发现引力波方面取得的成就获奖。2019年，三位天体物理学家因“在物理宇宙学上的理论发现”和“发现一颗环绕类太阳恒星的系外行星”而获奖。
但是，物理学奖连续发给同一领域的情况着实罕见，所以今年天体物理领域再次摘得桂冠，让不少人感觉意外。笔者深思一番，却也觉得三位获奖者“当之无愧”，黑洞应该成为最大赢家。为什么这么说呢？
彭罗斯：60年前就认真考虑黑洞存在
一提到黑洞和广义相对论的预言，很多人肯定就想到，这难道不是卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)的成就吗？1916年，在广义相对论文章发表后不久，德国物理学家、数学家史瓦西求解得到爱因斯坦方程的首个精确解，对应于一个没有旋转且不带电的黑洞，后来被称作“史瓦西黑洞”。但这个解只是证明了，宇宙中可能存在这种诡异的天体，却没说明它的形成；而彭罗斯则计算出黑洞是如何形成的，证明了它是广义相对论的必然结果之一。
图2：物质坍缩成黑洞的过程。恒星坍缩时，“俘获面”(红色)内所有的光锥都向内倾斜，在这个界面内，质量会发生不可逆的引力坍缩，产生一个能量密度无限大的区域，即奇点(singularity)。这意味着奇点的形成是不可避免的。(图片来源：nobelprize.org)
在史瓦西得到黑洞的第一个解之后，许多物理学家也开始投身到这种神奇有趣的天体研究中。上世纪三十年代，奥本海默研究发现，恒星在一定环境下可以塌缩形成黑洞。但爱因斯坦不太认同这种可能性，还写了论文反驳奥本海默。后来，一方面由于缺乏黑洞存在的证据，另一方面，由于第二次世界大战，物理学家的兴趣更多地转向核物理，关于黑洞的讨论研究慢慢冷清了下来。
20世纪60年代早期，只有少数人认真考虑广义相对论的极端预测。在第一个类星体被观测到、但是尚不清楚其能量来源时，也只有极少数人相信黑洞的存在。彭罗斯是认真考虑黑洞的少数人之一。
彭罗斯证明了每个黑洞都必须包含一个奇点，粒子在黑洞中间必定会撞在一起。时空本身在奇点处也会完全消失。在奇点上，所有物理定律都会失效。彭罗斯提出了“宇宙监察”的假设，认为所有的奇点都必须以某种方式隐藏起来，即“自然界憎恶裸奇点”。这是彭罗斯的最重要贡献之一。
后来，彭罗斯关于奇点的工作引起了霍金的兴趣，但是霍金意识到，假如时空起点是个奇点，自然界是没法将其隐藏起来的。于是，霍金和彭罗斯开始了共同研究，最终证明了如果广义相对论是对宇宙的正确描述，那么在时间的起始处也有一个奇点。
随着黑洞理论的不断突破和黑洞存在的证据更多地被发现，黑洞的研究迎来了新的热潮。可以说，彭罗斯和霍金都是在黑洞研究低潮期就开始关注黑洞的科学家。
除此之外，彭罗斯在黑洞领域还有很多贡献。以他名字命名的还有“彭罗斯机制”，是他所提出的“从旋转黑洞提取能量的一种方式”。著名相对论专家梁灿彬教授曾在《微分几何入门与广义相对论》科普地用“以垃圾换能源”的方法来解释这一过程。在旋转黑洞的外面有一个特殊区域，称作“能层”。通过开卡车将物体(垃圾)丢入黑洞附近的能层，卡车获得更多能量返回地球，实现了扔垃圾并提取黑洞转动能量的目的。当然，理论上可行，技术上难度非常非常大。
彭罗斯擅长将巧妙的数学方法融入到多个物理学分支中，以他名字命名的彭罗斯平铺就是成果之一。他设计的平铺中，最有名的当属1974年给出的这套“风筝”与“飞镖”，由非周期性的图形单元构成的具有五次转动对称性的平铺图案。1982年，以色列晶体学家丹尼尔·舍特曼(Daniel Shechtman)发现，某种金属合金的原子排列与之前测量的其它晶体模型都不一样，没法提取出一种无限重复的图案。舍特曼提出了“准晶”的概念。这一突破性的概念并没有一帆风顺地立即得到晶体学术界的认可，投稿两年还是被拒绝。2011年，舍特曼因为准晶体的工作获得诺贝尔化学奖。一定程度上，彭罗斯的工作为准晶体的存在提出了有力的数学证明，为准晶概念的接受提供了支持。
图3：由风筝与飞镖图形单元组成的具有五次转动对称性的平铺图案(图片来源：wiki)
根泽尔&盖兹：“看见”银河系中的巨大黑洞
我们身处的太阳系是银河系中三千多亿个恒星系统中的普通一员。距离我们2.6万光年之外，在银河系中心人马座 A* (Sgr A*)区域就潜伏着一个超大质量黑洞。但是，这个黑洞是怎么发现的？
早在 1931 年，射电天文学之父卡尔·央 斯基探测到来自于人马座方向的射电信号，后来证实它来自于Sgr A*。1974年，天文学家们观测发现 Sgr A*是一个明亮的射电辐射区域。
从 20 世纪 90 年代开始，莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹就各自领导了一个天文学家小组，致力于研究Sgr A*区域。银盘上的尘埃阻挡了地球上的我们直接在光学波段看向银河系中心的视线，好在红外波段的观测给予我们一双火眼金睛。随着科学家的观测，距离银河系中心最近、最亮的那些恒星的轨道被越来越精确地绘制出来。
两个研究小组的测量结果一致，他们都发现，在一个与太阳系大小相仿的区域里，聚集着大约400万个太阳质量的物质。超大质量黑洞是目前唯一已知的合理物理解释。根泽尔领导的团队最早观测到了这个黑洞的存在，而盖兹精确测量到了黑洞的质量。两位先驱的工作为我们提供了迄今为止最令人信服的证据——银河系中心存在一颗超大质量黑洞。
图4：银河系中心附近恒星的运动轨道提供了迄今为止最令人信服的证据，证明银河系中心存在一颗超大质量黑洞。(图片来源：来源：nobelprize.org)
正如诺贝尔物理学奖委员会主席David Haviland所说：“今年获奖者的发现为致密的超大质量物体的研究开辟了新的领域。但是这些奇异的物体提出了更多问题需要解答，并激励着未来的研究。不仅是关于其内部结构的问题，还有如何在黑洞附近的极端条件下检验我们的引力理论的问题。”
也正如2006年诺贝尔物理学奖得主、天文物理学家和宇宙学家乔治·斯穆特三世所说，“当我们有新的发现或者创造的时候，我们往往并不真正理解它到底意味着什么；但是我们都知道它一定非常重要。”
揭开黑洞的神秘面纱
在上文中，我们了解了三位获奖者的成就；那么，黑洞到底是什么？作为一名黑洞的研究者，笔者想向大家说说“我眼中的黑洞”。
作者单位：中国科学院上海天文台
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