2020年诺贝尔物理学奖——成功揭示黑洞和银河系中心的秘密

罗杰·彭罗斯

安德里亚·格兹

2020年10月6日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将今年的诺贝尔物理学奖，一半授予英国物理学家罗杰·彭罗斯，另一半授予德国物理学家莱因哈德·根泽尔和美国天文学家安德里亚·格兹，以表彰他们发现了宇宙中最奇特的现象之一——黑洞。

虽然他们三人的研究方向相同，但探索途径不同。彭罗斯用巧妙的数学方法，结合广义相对论，证明宇宙中存在一种看不见的天体，能把一切东西都俘获，哪怕是光线，在它面前都无法逃脱，这个天体就是黑洞。而根泽尔与格兹则通过各自的探测研究，得出共同结论：在靠近银河系中心区域，有一个类似于黑洞的超大质量（暂且理解为重量）天体，从而揭示了银河系中心的秘密。

黑洞究竟是什么

浩瀚无垠的宇宙，除了星球和空间之外，还隐藏着不为人知的奥秘。

人们对宇宙的观测以视觉为主。我们之所以能看见物体，是物体自身发出的光或反射的光，进入眼睛后刺激视觉神经的缘故。所以，对于不发光和不反射光线的物体，难以感知其存在。黑洞就属于这种神秘莫测的天体，它不仅不发光，反而以极大的引力，把来自外界的任何东西包括光线在内，都统统吸入内部，永远不会再释放出来。所以，黑洞是密度（内部物质紧密程度）极大的超重天体。

如果从黑洞上取下黄豆大小一块，足足有地球那么重；而与地球等大的黑洞，产生的引力则是无穷大。更奇妙的是，黑洞强大的引力，会使时间变慢。假如能把钟表放到黑洞表面，指针几乎停顿。距黑洞很远的光线，虽然不能被吸入，但会发生弯曲，距离越近弯曲得越厉害。

莱因哈德·根泽尔

黑洞是如何形成的

黑洞是由宇宙中的大型天体在发生突变时聚变而成的，目前主要有以下三种猜想：

一、恒星演化成黑洞。大质量的恒星到了晚期，内部的核燃料耗尽，在冷却过程中，随着热膨胀力和对外辐射作用的消失，导致引力难以平衡，于是无休止地向中心塌缩（塌陷而收缩），同时向外发射冲击波，使外层物质猛烈向星际空间抛射。最终，中心的残骸变成密度极大的天体，如果质量超过3 个太阳，就属于黑洞。

人类用射电望远镜得到的第一张黑洞照片，黑洞在虚线以内

二、星系中心演化成黑洞。散布在宇宙中的星系多达1000亿个，每个星系又由无数颗恒星组成，如地球所在的银河系及相邻的仙女座星系等。由于星系中心的恒星很密集，难免互相发生碰撞，由此产生的几个超重的天体聚合而收缩，便形成了质量超过太阳1 亿倍的黑洞。

三、宇宙大爆炸形成黑洞。宇宙形成之初，是一个温度和密度高得无法想象的点，这个点极不稳定。大约在137 亿年以前，突然发生爆炸，产生巨大的冲击力，把一些碎块挤压得极其紧密，最终形成肉眼看不见、质量却接近地球的微小黑洞。

如何探测黑洞

黑洞虽然不能直接观测到，但其强大的引力，能影响附近天体的运动。因此，根据一些天体的质量大小和运动情况，可推知黑洞的存在。

1992 年，人们用哈勃望远镜观察到，在距地球5300 万光年的M-87星系中心，有一个由大量恒星聚集而成的光亮区域。由此推断，中心应当有一个质量大于太阳90 倍的天体，这个天体可能是黑洞。同年7月，美国两位天文学家宣布：宇宙深处有一个星系，环绕它的中心运转的恒星，质量一般，但速度惊人。由此推断，被恒星环绕的可能是一个质量相当于整个太阳系、密度是太阳10亿倍的黑洞。

物体被吞噬前，会沿着黑洞外围疾速旋转，并形成高速旋转的气流，在摩擦产生高温的同时，释放X射线。因此，借助来自宇宙深处的X 射线，也可以找到黑洞。天文学家观测发现：有大量的气体物质，源源不断地由天鹅座的一颗主星，流向身为X 射线源的伴星。如果能计算出这个伴星的质量和密度，就能判定其是否为黑洞。

银河系里找黑洞

长期以来，天文学家一直猜想，银河系中心有黑洞，但却无法拿出确凿证据。后来，有人发现那里有极亮的光源，便断定是一个天体在发光，遂将其命名为“人马座A*”。上世纪60 年代末，人们发现人马座A*占据了银河系中心，银河系的一些恒星都围绕其运行。

超大质量黑洞

20多年前，根泽尔和格兹分别带领各自团队，研究银河系中心区域，并绘制了那里一些最亮恒星的轨道。两个研究团队都惊奇地发现，那些最亮的恒星，都围绕同一个固定位置，以惊人的速度运行。在那个位置上，好像有一个如同人马座A*的天体，可什么也观测不到。于是他们断定，有一个很重的天体，吸引着这些恒星围绕自己旋转。这个天体虽然看不见，但约有400 万个太阳那么重，体积与整个太阳系差不多。这个天体到底是什么？根泽尔和格兹根据观测到的恒星运行轨道，运用当前的引力理论，提出了一个令人信服的解释：在人马座A*附近，隐藏着一个超级黑洞。

观测黑洞不容易

银河系形同一张圆盘，直径达10万光年，其中弥漫着云气和尘埃，以及几千亿颗恒星，太阳就是其中之一。这些厚厚的云气和尘埃，遮挡了来自银河系中心的光芒。只有用功能特殊的望远镜，才能穿越这种障碍，观测到银河系中心。上世纪90年代，宇宙观测技术取得了长足进步，根泽尔和格兹分别率领团队，研发出性能独特的望远镜，并成功透过宇宙尘埃进行了观察。

爱因斯坦

在我们头顶，厚度近100 千米的大气层，随着气温变化而流动，从而造成来自太空的光线，发生偏折和扭曲。这样一来，不管是用肉眼还是仪器观察太空，看到的情景都会失真。这就是星星闪烁的原因，也是星空图像模糊的原因。对于这种弊端，只有在望远镜上安装特殊镜片才能避免。

近30年来，根泽尔和格兹不断研究改进观测仪器，采用了灵敏的光传感器和先进的光学元件，使图像分辨率提高了1000倍以上，能精确地确定恒星位置，并在夜间跟踪它们。

超越爱因斯坦

1915年11月，爱因斯坦提出广义相对论。如果简单地举例来描述，广义相对论就是说，恒星质量越大，引力越大，从周围通过的光线，由于受引力作用，就越弯曲，附近如果有一个人，那么他就衰老得越慢，身体变得越小，质量变得越大；如果恒星质量特别大，附近的人会长生不老，身体变得无限小，质量则无穷大，简直就像传说中的神仙一样。

黑洞及其奇点

爱因斯坦创立了相对论，但并未明确提出黑洞的存在。在他去世之后，彭罗斯运用一系列科学理论，充分证明了黑洞的形成：燃烧殆尽的恒星，由于失去了辐射光线时向外的冲击力，便开始向内塌缩。如果它质量足够大，会一直塌缩下去，变成一个奇怪的点，简称“奇点”。奇点的体积无限小，质量和温度却无限大。在奇点里，时间停止了，所有自然法则不再适用。这一切实在令人无法想象。奇点外围有一个弯曲的界面，与奇点构成了黑洞，外界光线进入界面以内，就会被黑洞俘获。

显然，黑洞的形成及呈现的奇特现象，与广义相对论所描述的恒星情况基本一致。可以说，彭罗斯受相对论启示，证明了黑洞的存在。而黑洞的形成，则证明了相对论的正确性。