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三位科学家为何获得诺贝尔物理学奖：研究致密黑洞打开了新天地
苹果落地，GPS的运作，太阳绕银河系中心旋转，宇宙的膨胀……
所有这些我们熟悉的现象都离不开一个理论，那就是广义相对论。
1915年，爱因斯坦（Albert Einstein）发表了全新的引力理论——广义相对论，颠覆了我们先前对时间和空间的理解。这个理论告诉我们，引力是时空弯曲的结果。广义相对论的强大不仅在于它解决了当时牛顿的引力理论无法解释的问题，也在于它强大的预言能力。在所有的预言中，其中有一个甚至连爱因斯坦都认为可能不存在，那就是黑洞。
就在广义相对论发表不久后，德国天体物理学家史瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了广义相对论核心方程的精确解。史瓦西的解也预示着宇宙中或许存在着最神秘的天体——黑洞。
黑洞是由奇点的存在而定义的，它是空间中的一个区域，被“事件视界”包围着。事件视界是一个有去无回的边界，任何东西（包括光）一旦进入再也无法逃脱。
当一颗大质量恒星在自身的引力下坍缩时，就会形成黑洞。在事件视界上，时间取代了空间，并且只指向前方。时间的流动将一切都带向位于黑洞内最深处的奇点，那一点有着无穷大的密度，时间在那里终止了。| 图片来源：nobelprize.org
但黑洞真的可以形成吗？
在爱因斯坦去世的十年后，英国理论学家彭罗斯（Roger Penrose）证明了黑洞可以形成，并且描述了它们的性质。
上个世纪60年代，黑洞是否能够在现实条件下形成一直困扰着彭罗斯。在后来的回忆中，彭罗斯表示答案出现在1964年的秋天，当时他正和他的同事在伦敦散步。当他们停止谈话，并穿过一条小街时，一个想法在他的脑海中一闪而过。那天下午的晚些时候，他在记忆中搜寻他的想法。一个被他称为“俘获面”的想法，是他用来描述黑洞的关键概念。
一个俘获面会迫使所有光线都指向一个中心，无论表面是外向弯曲还是内向弯曲。俘获面成为了彭罗斯证明奇点定理的核心概念。
这张图是基于彭罗斯在1965年的论文，它展示了物质坍缩成黑洞的过程。在一个被俘获的表面上，所有的光锥都向内倾斜，奇点的形成不可避免。| 图片来源：nobelprize.org
彭罗斯的发现表明，黑洞是广义相对论的直接结果，但在奇点拥有的无限强引力下，广义相对论却不再适用。理论学家目前正试图创建一个全新的量子引力理论，这个理论将物理学的两大支柱——相对论和量子力学——结合起来。
尽管无法直接看到黑洞，但是它强大的引力可以影响周围恒星的运动。
在所有的星系中心，都隐藏着一个超大质量黑洞，包括银河系。上个世纪90年代，根策尔（Reinhard Genzel）和盖兹（Andrea Ghez）各自领导了一个研究小组，开始追踪绕着银河系中心的恒星的运动。
银河系是我们所在的星系。从“上”方看，它的形状就像一个直径约10万光年的扁平圆盘。它的旋臂是由气体、尘埃和几千亿颗恒星组成的，其中一颗就便是我们的太阳。| 图片来源：nobelprize.org
但是，要观测银河系中心非常不容易，因为有大量的星际气体和尘埃构成的巨大的云团会阻碍我们的视线。红外望远镜和射电技术的发展使看到银河系中心的恒星成为可能。
利用世界上最大的望远镜，根策尔和盖兹发展出了一些可以穿透云团而看到银河系中心的方法。在这个过程中，自适应光学的出现对改进观测来说是至关重要的，这种方法通过在望远镜上安装一个薄薄的额外的镜面来抵消大气湍流，从而校正畸变的图像。近30年来，根策尔和盖兹一直在追随位于遥远的银河系中心的恒星群。他们突破了技术的局限，不断地发展并改进这项观测技术，通过使用更灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学元件，使图像分辨率提高了数以千倍以上，从而使得他们可以更精确地确定恒星的位置。
自适应光学的原理：激光系统被用来制造能感知由地球大气导致的模糊的人工导星，由激光（1）产生的亮斑图像在一个反馈回路中被用来引入一个副镜（2）的快速变形，这个过程有效地校正了科学图像（3）中的大气湍流。| 图片来源：nobelprize.org
他们的开创性工作表明，银河系的中心隐藏着一个看不见的超大质量黑洞——质量为太阳质量的400万倍。
这些恒星轨道是目前为止黑洞存在的最令人信服证据，这证明在人马座A*中隐藏着一个超大质量黑洞。据估计，这个黑洞的质量大约为400万倍太阳质量，它就挤在一个不比我们太阳系更大的区域之内。| 图片来源：nobelprize.org
去年，事件视界望远镜已经拍摄到了M87中心的超大质量黑洞，而很快我们也将看到银河系中心的黑洞。
三位诺奖得主的发现为研究致密黑洞打开了新天地。但是黑洞仍然有许多谜题等待被解答，这些问题包括了黑洞的内部结构，黑洞周围的吸积盘和喷流，以及如何在像黑洞附近这样极端的引力条件下检验广义相对论。
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长文读懂2020诺贝尔物理学奖：黑洞和银河系最黑暗的秘密
新浪科技讯 北京时间10月6日消息，2020年诺贝尔物理学奖揭晓：一半授予Roger Penrose，获奖原因“发现广义相对论预测了黑洞的形成”；另一半授予Reinhard Genzel和Andrea Ghez，获奖原因“发现银河系中心的超大致密物体”。三位物理学家分享了今年的诺贝尔物理学奖，因为他们发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞。
黑洞和银河系最黑暗的秘密
三位科学家因为他们对宇宙中最奇特现象之一——黑洞的研究，而共享今年的诺贝尔物理学奖。Roger Penrose发明了巧妙的数学方法，来探索爱因斯坦的广义相对论。他的研究揭示了广义相对论如何预测了黑洞的形成。这些时空和空间的怪物会捕获一切进入其中的东西。任何东西，甚至是光，都无法逃离黑洞。
Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自带领着一群天文学家，从上世纪九十年代初就开始研究银河系的中心区域。随着精确度的提高，他们成功绘制了离银河系中心最近的最亮恒星的轨道。两组研究人员都发现，有一种看不见但很重的物体，促使这些恒星在周围转圈。
这个看不见的物质大约有400万个太阳质量那么重，但体积却和我们的整个太阳系差不多。是什么使得银河系中心附近的恒星以如此惊人的速度旋转呢？根据当前的引力理论，可能的解释只有一个：那就是超大质量黑洞。
超越爱因斯坦的突破
广义相对论之父爱因斯坦本人曾经也不认为黑洞会真的存在。但是，在爱因斯坦去世后十年，英国理论学家Roger Penrose证明，黑洞可以形成，并描述了它们的特征。黑洞的中心隐藏着一个奇点，所有已知自然法则在这里都不再适用。
为了证明黑洞的形成是一个稳定的过程，Penrose需要扩展用来研究相对论的方法，即使用新的数学概念来解决这一理论的问题。Penrose的突破性文章发表于1965年1月，至今仍被认为是自爱因斯坦以来，对广义相对论的最重要贡献。
引力牢牢掌控整个宇宙
黑洞大概是广义相对论的最奇怪结果。当爱因斯坦在1915年11月提出他的这个理论时，它颠覆了此前所有的时空概念。该理论为理解引力提供了全新的基础。引力在最大程度上塑造了宇宙。自此之后，广义相对论为所有的宇宙研究提供基础，并且在我们最常用的导航工具——GPS中，也有实际应用。
爱因斯坦的理论描述了引力如何掌控着整个宇宙中的一切。引力让我们站在地球上，引力也控制着行星绕太阳运行的轨道以及太阳绕银河系运行的轨道。引力也促使恒星从星际云中的诞生，而最终恒星又在引力塌缩下死去。大质量物质会弯曲空间并减慢时间；极大质量物质甚至可以切断和包裹空间——形成黑洞。
第一个描述黑洞的理论出现于广义相对论发表后的数周。尽管该理论的数学方程式极其复杂，但德国天体物理学家Karl Schwarzschild仍为爱因斯坦带来一个解决方案，解释大质量物质如何弯曲时空。
后来的研究表明，黑洞一旦形成，它会被事件视界包围，该事件视界如同面纱一般围绕黑洞中心的物质运动。黑洞永远隐藏在其事件视界之内。质量越大，黑洞及其视界就越大。对于相当于太阳质量的物质，事件视界的直径大约为三公里；而相当于地球质量的物质，事件视界的直径则只有九毫米。
超越完美的解
“黑洞”的概念在许多文化表达形式中都找到了新的含义，但对物理学家来说，黑洞是巨型恒星演化的自然终点。20世纪30年代末，物理学家罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）首次计算出了一颗大质量恒星的剧烈坍缩。奥本海默后来领导了制造出第一颗原子弹的“曼哈顿计划”（Manhattan Project）。当质量为太阳许多倍的巨型恒星耗尽燃料时，它们首先爆发成为超新星，然后坍缩成密度极高的残骸，其质量之大，以致于引力能将一切都拉进内部，甚至包括光。
早在18世纪末，英国哲学家、数学家约翰·米歇尔（John Michell）和法国著名科学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）就提出了“暗星”（dark star）的概念。两人都认为，天体的密度可以大到让人看不见，因为光的速度也不足以逃脱它们的引力。
一个多世纪之后，爱因斯坦发表了广义相对论，该理论中一些方程的解描述的正是这样的暗星。直到20世纪60年代，这些解都被认为是纯粹的理论推测，描述了恒星及其黑洞呈完美的圆形和对称的理想状态。但是，宇宙中没有什么是完美的，而Roger Penrose首先成功地为所有坍缩物质找到了一个现实的解。
类星体之谜
1963年，随着宇宙中最亮的物体——类星体（quasar）——的发现，黑洞是否存在的问题再次浮出水面。在近十年的时间里，天文学家一直对来自神秘来源（如室女座的3C273）的无线电射线感到困惑。可见光辐射最终揭示了该类星体的真实位置——3C273距离地球如此之远，以致于这些射线在超过10亿年的时间里都在朝着地球传播。
这些辐射源离我们如此之远，其强度甚至相当于几百个星系发出的光。这些天体被命名为“类星体”。天文学家很快就发现了更加遥远、在宇宙早期就已经发出辐射的类星体。这种令人难以置信的辐射来自哪里？要在类星体有限的体积内获得如此多的能量，只有一种方法——从坠入巨大黑洞的物质中获取。
俘获面
黑洞是否能在现实条件下形成是困扰Roger Penrose的一个问题。他后来回忆道，答案出现在1964年秋天，当时他正和一位同事在伦敦散步。Penrose当时是伯克贝克学院的数学教授。当他们暂时停下交谈，穿过一条小街时，一个想法突然出现在他的脑海里。那天下午晚些时候，他回忆起了这个想法，也就是被他称为“俘获面”（trapped surface）的概念。这是他一直想要寻找的关键，也是描述黑洞所需要的重要数学工具。
一个俘获面会迫使所有光线指向一个中心，不管表面是向外还是向内弯曲。利用束缚表面，Penrose证明黑洞总是隐藏着一个奇点，即一个时间和空间的边界。奇点的密度无限大，但到目前为止，还没有理论能够解释这一物理学中最奇特的现象。
在Penrose对奇点定理的证明进行完善时，俘获面成为一个中心概念。在如今有关弯曲宇宙的研究中，他所引入的拓扑方法发挥着重要的作用。
通向时间尽头的单行道
一旦物质开始塌缩并形成俘获面，塌缩就再也没有可能停止。正如物理学家兼诺贝尔奖得主Subrahmanyan Chandrasekhar讲述的故事中所言，没有回头路。他的这个故事讲的是蜻蜓和其生活在水面下的幼虫。当幼虫准备好展开翅膀时，它向周围的同伴承诺，会回来向它们讲述水面上的大千世界。但是一旦幼虫真的冲出水面，如蜻蜓一般飞舞后，它就再也回不去了。水中的幼虫永远无法听到水面之外大千世界的故事。
同样地，所有物质也只能沿一个方面穿越黑洞的事件视界。然后，时间取代空间，所有可能的路径都指向内部，时间的流逝将所有事物推向不可避免的终点——奇点。如果你穿过事件视界，掉入一个超大质量黑洞，你不会有任何感觉。但是从黑洞的外边，没有人会看到你跌入其中，而你的旅程会一直继续。在物理学定律范围内，窥视黑洞内部是不可能的；黑洞的一切秘密都隐藏在它们的事件视界之内。
黑洞控制恒星的路径
黑洞的形成 （左上） 黑洞横截面 当一颗巨大的恒星在自身引力作用下塌缩时，它会形成一个质量很大的黑洞，捕获穿越其事件视界的一切东西。哪怕是光都无法逃离黑洞。在事件视界中，时间取代空间，所有路径向内指。时间流将一切带向黑洞最深处的奇点——在这里，密度是无限的，时间也止于此。 （右下） 光锥表示光线在时间上向前和向后的路径。当物质塌缩并形成黑洞时，穿过黑洞事件视界的光锥将向内朝奇点运动。外部的观察者永远不会真正看到光线到达事件视界。他们看到的，只是光线接近事件视界。之后的就没有人能看到。
即便我们看不见黑洞，但我们仍可以通过观察黑洞引导周围恒星运动的巨大引力，来确定其特征。
Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自带领着一个独立的研究小组，以探索我们的银河系中心区域。我们的银河系状似一张圆盘，直径达到10万光年，其中有云气和尘埃，以及几千亿颗恒星；其中之一就是我们的太阳。我们从地球上望去，巨大的星际气体和尘埃遮挡了大部分来自银河系中心的可见光芒。红外线望远镜和无线电技术首次让天文学家得以穿越这些障碍，观测到银河系中心的恒星。
Genzel和Ghez循着恒星的运行轨道，提出迄今为止最有说服力的证据：银河系中心隐藏着一个看不见的超大质量物体。黑洞是唯一可能的解释。
聚焦中心
图3：银河系俯视图。我们的银河系状似一张圆盘，直径达到10万光年。银河系的漩涡臂由云气和尘埃以及几千亿颗恒星组成；其中之一就是我们的太阳。
五十多年来，物理学家一直在怀疑，银河系的中心可能存在一个黑洞。自从二十世纪六十年代初发现类星体以来，物理学家就推测，大多数大型星系（包括银河系）的内部可能存在超大质量黑洞。但是，目前尚无人能解释，星系和它们的黑洞，到底是如何形成的。
一百年前，美国天文学家Harlow Shapley率先确定了银河系的中心，指向人马座。在后来的观测中，天文学家发现那里有强大的无线电波源，他们把这个无线电波源称为“人马座A*”。等到二十世纪六十年代末，人们发现人马座A*占据了银河系中心，银河系内的所有恒星都围绕其运行。
但一直到二十世纪九十年代，我们才有了更大的望远镜和更好的设备，可以对人马座A*进行更为系统的研究。Reinhard Genzel和Andrea Ghez 分别启动了各自的项目，试图透过厚厚的尘埃云观察银河系的中心。他们和自己的研究团队一起，开发和完善各自的技术，构建独特的仪器并投身于长期的研究。
要观测遥远的恒星，就要用到世界上最大的望远镜——在天文学中，越大越好是一条绝对的真理。德国天文学家Reinhard Genzel和他的团队最初使用的是新技术望远镜（NTT），位于智利的拉西拉天文台。后来，他们将观测转移到位于帕拉纳尔山（也是在智利）的甚大望远镜（VLT）上。甚大望远镜拥有4台8.2米口径的望远镜，相当于新技术望远镜（3.58米）的两倍以上，而这些望远镜的组合等效口径可达16米。
在美国，Andrea Ghez和她的研究团队使用了位于夏威夷莫纳克亚山的凯克天文台。该天文台拥有两座口径约10米的望远镜，是目前世界上最大的望远镜之一。每面镜片都像一个蜂巢，由36个六边形的部分组成，可以单独控制，以更好地聚焦星光。
星星指路
这些恒星的轨道表明，在银河系的中心区域，某种无形而沉重的东西控制着它们的轨道。
最靠近银河系中心的恒星
这两颗恒星的轨道是迄今为止最令人信服的证据，证明在人马座A*中隐藏着一个超大质量黑洞。据估计，这个黑洞的质量约为太阳质量的400万倍，而所有这些质量都挤压在一个不比太阳系大多少的区域内。
左上：天文学家测量了银河系中心人马座A*附近一些恒星的轨道；
右上：对其中一颗恒星S2（或称S-02），天文学家成功绘制了其完整的轨道，发现其围绕银河系中心的周期不到16年。该恒星最靠近人马座A*时，距离仅为大约17光时（100亿公里以上）。
左下：S2的径向速度会随着其接近人马座A*而增加，并随其在椭圆形轨道上的运行而逐渐下降。径向速度是恒星速度在我们视线上的分量。
右下：在最靠近人马座A*（2002年和2018年）时，恒星S2的速度达到最高的每秒7000公里
无论望远镜有多大，它们所能分辨的细节总是有限的，因为在我们上方，是将近100千米厚的大气层。望远镜上方的大气泡往往比周围环境的温度更高或更低，它们就像透镜，能使光线在到达望远镜镜面时发生折射，从而扭曲了光波。这就是星星闪烁的原因，也是星空图像模糊的原因。
自适应光学技术的出现对天文观测的改善至关重要。现在，望远镜上都安装了一个额外的薄镜片，用以补偿空气的湍流，并校正扭曲的图像。
近三十年来，Reinhard Genzel和Andrea Ghez一直在银河系中心的恒星群中追踪某些恒星。他们继续开发和该进这项技术，采用更灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学元件，使图像分辨率提高了1000倍以上。现在，他们可以更精确地确定恒星的位置，并在夜间跟踪它们。
研究人员追踪了这群恒星中30颗最亮的恒星。这些恒星在距离中心一个“光月”的半径内移动得最快。另一方面，这一区域以外的恒星则更有序地沿着它们的椭圆轨道运行（图4）。
一颗被称为S2（或S-O2）的恒星，在不到16年的时间内绕银河系中心运行了一周。这是非常短的时间，因此天文学家能够绘制出它的整个轨道。我们可以拿太阳来比较，太阳绕银河系中心转一圈需要超过2亿年的时间；换言之，当我们目前这一圈刚刚开始时，恐龙还在地球上行走。
理论与观测相辅相成
两个小组的测量结果非常一致，他们得出的结论是：银河系中心的黑洞质量应该相当于400万倍太阳质量，被挤压到一个太阳系大小的区域内。
我们或许很快就能看到人马座A*的真面目了。就在一年前，事件视界望远镜天文网络已经成功拍摄到一个超大质量黑洞的图像——事实上，我们看到的是它周围最邻近的环境。在距离我们5500万光年的室女A星系（又称M87星系）中，存在着一个由超大质量黑洞构成的核心。
M87星系的核心黑洞非常巨大，质量是人马座A*的1000多倍。相比之下，近年来许多引力波事件背后的碰撞黑洞要轻得多。和黑洞一样，在2015年秋天被美国的LIGO探测器第一次捕获引力波信号之前，这种时空涟漪只是爱因斯坦广义相对论的理论预测（取得该发现的科学家荣获2017年诺贝尔物理学奖）。
未解的谜题
Roger Penrose的工作揭示了黑洞是广义相对论的直接推论，但在奇点无限强大的引力下，这个理论不再适用。理论物理学领域正在进行大量的工作，以创建一个新的量子引力理论。这必须将物理学的两大支柱——相对论和量子力学——结合起来，并在黑洞的内部的极端条件下相遇。
与此同时，天文学家也越来越接近黑洞，试图更近距离地展开观测。Reinhard Genzel和Andrea Ghez的开创性工作为新一代天文学家开辟了道路，使他们能够对广义相对论及其最奇异的预测进行精确的验证。这些测量和验证工作很可能为新的理论见解提供线索，并揭示宇宙中更多的秘密和惊喜。
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