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◎ 科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然 實(shí)習(xí)記者 余昊原

2020年，三位科學(xué)家因發(fā)現(xiàn)了宇宙中最奇特的現(xiàn)象之一——黑洞而獲得了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

羅杰·彭羅斯（Roger· Penrose）的研究表明，相對(duì)論理論有力預(yù)測(cè)了黑洞的形成；賴因哈德·根澤爾（Reinhard·Genzel）和安德里亞·蓋茲（Andrea·Ghez）則發(fā)現(xiàn)，一個(gè)隱形且極重的物體，控制著我們銀河系中心恒星的軌道，而超大質(zhì)量黑洞則是目前唯一已知的解釋。

2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)。圖源：央視新聞

所有已知規(guī)律均在其中失效

一個(gè)超重的怪物，會(huì)捕獲進(jìn)入其“狩獵范圍”的所有物體，沒有什么可以逃脫，甚至光也不行，這就是黑洞。在許多文學(xué)形式中，黑洞一詞都有了其更深的含義，但對(duì)于物理學(xué)家，黑洞始終是巨型恒星自然耗盡死亡后的產(chǎn)物。

愛因斯坦1915年發(fā)表了廣義相對(duì)論，顛覆了之前所有有關(guān)時(shí)空的概念，引力塑造了宇宙的最大范圍，而相對(duì)論為理解引力提供了一個(gè)全新的基礎(chǔ)。20世紀(jì)30年代末，物理學(xué)家羅伯特·奧本海默計(jì)算出了一顆大質(zhì)量恒星的劇烈坍塌。（奧本海默后來領(lǐng)導(dǎo)了“曼哈頓計(jì)劃”，該計(jì)劃成功制造了首顆原子彈）。當(dāng)質(zhì)量為許多倍的大質(zhì)量恒星耗盡燃料時(shí)，它們首先爆炸成超新星，然后坍縮成密度極高的殘骸，其引力之大能將一切都拉進(jìn)內(nèi)部。

但這些，一直被認(rèn)為是純粹的理論推測(cè)，直到羅杰·彭羅斯，首先成功地為所有坍縮物質(zhì)找到了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解，其利用巧妙的數(shù)學(xué)方法表明黑洞是愛因斯坦廣義相對(duì)論的直接預(yù)測(cè)結(jié)果，盡管愛因斯坦本人并不相信黑洞確實(shí)存在。

在愛因斯坦去世十年后的1965年1月，羅杰·彭羅斯證明了黑洞確實(shí)可以形成并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)描述，黑洞隱藏著不能被人理解的奇異之處，所有已知的自然規(guī)律在其中都失效了。自愛因斯坦以來，羅杰·彭羅斯的開創(chuàng)性論文，被視為對(duì)廣義相對(duì)論的最重要貢獻(xiàn)。

圖說：光錐展示光線在時(shí)間上向前和向后的路徑。當(dāng)物質(zhì)坍縮并形成黑洞時(shí)，穿過黑洞事件視界的光錐將向內(nèi)轉(zhuǎn)向

答案只有一個(gè)：超大質(zhì)量黑洞

賴因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲各自領(lǐng)導(dǎo)著一組天文學(xué)家，自1990年代初以來，他們一直專注于銀河系中心的一個(gè)區(qū)域。

隨著精確度的提高，他們成功繪制了離銀河系中心最近的最亮恒星的軌道。這兩組測(cè)量結(jié)果都發(fā)現(xiàn)：有一種看不見、卻非常重的物體，使得這些恒星在其周圍以驚人的速度旋轉(zhuǎn)。

賴因哈德·根澤爾得知自己獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這個(gè)看不見的物質(zhì)，在不超過我們太陽系的范圍里，竟然有400萬個(gè)太陽質(zhì)量那么重。這是什么？根據(jù)當(dāng)前的引力理論，可能的解釋只有一個(gè)——超大質(zhì)量黑洞。

賴因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲使用世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，開發(fā)出了方法，可以通過巨型星際氣體和塵埃云看到銀河系的中心。他們擴(kuò)展了技術(shù)極限，完善了新技術(shù)，補(bǔ)償了地球大氣層造成的扭曲，制造出的獨(dú)特儀器可被用于長(zhǎng)期研究。他們的開創(chuàng)性工作，為我們提供了迄今為止最令人信服的證據(jù)，表明銀河系中心有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。

如果有什么是永恒的？那就是未知

羅杰·彭羅斯的研究告訴我們，黑洞是廣義相對(duì)論的直接結(jié)果，但在無限大的奇異性引力中，該理論不再適用。科學(xué)家正在理論物理學(xué)領(lǐng)域中進(jìn)行大量工作，以創(chuàng)建新的量子引力理論。這必須將物理學(xué)的兩個(gè)支柱——相對(duì)論和量子力學(xué)——二者結(jié)合在一起，而它們，將在黑洞的極端內(nèi)部相遇。

同時(shí)，賴因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲開創(chuàng)性工作為廣義相對(duì)論及其預(yù)測(cè)進(jìn)行了精確檢驗(yàn)，很可能還將為新的理論見解提供線索。

無論如何，宇宙還有許多秘密和驚喜尚待發(fā)現(xiàn)。

“不僅是關(guān)于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題，而且還有關(guān)于如何在黑洞緊鄰的極端條件下，測(cè)試我們的引力理論的問題?！敝Z貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席戴維·哈維蘭德（David Haviland）表示。他認(rèn)為，正是今年獲獎(jiǎng)?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)，為研究緊湊和超大質(zhì)量天體開辟了新天地，但是這些奇特的物體仍然向人類提出許多問題，激發(fā)著人們通過未來的研究給出答案。

編輯：劉義陽