南方周末|黑洞研究终得诺奖，先驱获奖实至名归

北京时间2020年10月6日18时，诺贝尔奖委员会宣布2020年诺贝尔物理学奖授予英国科学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、德国科学家莱茵哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德里亚·吉兹（Andrea Ghez），以表彰他们在黑洞理论和观测研究领域内的杰出贡献。彭罗斯的获奖理由是“发现黑洞形成是广义相对论的有力预言” ，他获得了总额为1000万瑞典克朗（约合110万美元）的奖金的一半；根泽尔和吉兹的获奖理由是“发现了银河系中心的超大质量致密天体” ，二人分享了另外一半奖金。

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罗杰·彭罗斯（左）、莱茵哈德·根泽尔（中）和安德里亚·吉兹（右）。图/诺贝尔奖官网
这是诺贝尔物理学奖继2019年（奖励宇宙学和系外行星研究）之后再次奖励与天文学相关的研究成果，同时也是最近4年来的第3次（2017年授予发现引力波的3位物理学家）。
黑洞的理论验证
罗杰·彭罗斯爵士是英国著名的数学物理学家和科学哲学家。他于1931年生于英国科尔切斯特， 1958年在剑桥大学获得博士学位。他目前是牛津大学荣休教授、牛津大学沃德姆学院荣休院士以及剑桥大学圣约翰学院荣誉院士。
1784年，英国人约翰·米切尔（John Michell）首次提出可能存在密度大到连光都无法逃逸的天体。 1915年，爱因斯坦提出广义相对论，为黑洞的存在提供了理论依据。此后不久，卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）和约翰尼斯·德罗斯特（Johannes Droste）分别发现了爱因斯坦方程的一个球对称奇异解，预言了黑洞的存在。 1963年，罗伊·帕特里克·克尔（Roy Patrick Kerr）给出了轴对称的旋转黑洞解。 1967年，美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）创造了“黑洞”（Black Hole）这个名词描述这种致密天体并沿用至今。
黑洞是广义相对论的重要预言。 2019年，科学家发布了黑洞的首张照片，被认为再一次验证了广义相对论。但是，提出广义相对论的爱因斯坦本人，却并不相信黑洞真的存在，他曾在1939年的一篇论文中试图论证恒星不可能在自身的引力作用下塌缩。
但到了1965年1月，彭罗斯却用巧妙的数学方法证明了黑洞可以形成，并且给出了详细的描述。他还提出在黑洞的中心隐藏着一个奇点，所有已知的自然规律在奇点都会失效。他的革命性的文章被认为是在爱因斯坦之后对广义相对论的发展作出了最重要的贡献。
彭罗斯在数学物理研究中完成了一系列重要的工作，特别是对广义相对论和宇宙学的研究影响深远，在这些领域内有一系列以他命名的概念和定理。加州理工学院教授、2017年诺贝尔物理学奖得主基普·索恩（Kip Thorne）曾经这样评价：“彭罗斯革新了我们用来分析时空性质的数学工具。 ”
彭罗斯在获得诺贝尔奖前，已经先后获得过多个重要奖项，包括沃尔夫物理学奖、狄拉克奖和阿尔伯特·爱因斯坦奖等。他和已故著名物理学家史蒂夫·霍金（Stephen Hawking）是重要的合作伙伴，二人因为提出了彭罗斯—霍金奇点定理而分享了1988年的沃尔夫物理学奖。 1990年，二人还共同出版了《时空的本质》一书。除此之外，彭罗斯还积极投身科学传播工作，出版过多部科普作品，包括《宇宙的轮回》《通向实在之路》和《皇帝新脑》等。
黑洞的观测发现
莱茵哈德·根泽尔于1952年生于德国的巴特洪堡， 1978年在德国波恩大学获得博士学位。此后，他先后在哈佛-史密森天体物理中心和加州大学伯克利分校等机构工作。 1986年，他返回德国，先后在马克斯·普朗克宇宙物理研究所和慕尼黑大学工作。根泽尔目前担任德国马克斯·普朗克地外物理研究所所长和加州大学伯克利分校教授。 2008年，他曾经因为对银河系中心超大质量黑洞的研究获得了邵逸夫天文学奖。分页标题
安德里亚·吉兹于1965年生于美国纽约， 1987年在美国麻省理工学院获得物理学学士学位， 1992年在美国加州理工学院获得博士学位， 2004年当选美国科学院院士。吉兹目前担任加州大学洛杉矶分校教授。
从20世纪90年代开始，根泽尔和吉兹分别带领各自的研究团队，关注银河系中心一个叫作人马座A*（Sagittarius A*）的区域。伴随着精确度的提高，他们绘制了离银河系中心最近的最明亮的恒星的轨道。这两组科学家在进行测量后都发现，一个质量极大却又看不见的天体牵引着这些恒星，使得它们以惊人的速度转动。在这个不大于太阳系的区域里，却聚集着质量超过400万个太阳的物质。
根泽尔和吉兹使用世界上最大的望远镜，开发出可以穿过巨大的星际气体和尘埃云而看到银河系中心的方法。他们扩展了技术的极限，完善了新技术，从而可以补偿地球大气层对观测带来的影响。他们还制成了独特的设备并用于长期研究。他们先驱性的工作为我们提供了迄今为止最有说服力的证据，证明在银河系中心存在一个质量为400万倍太阳质量的超大质量黑洞。
黑洞研究的未来
吉兹是历史上第四位获得诺贝尔物理学奖的女性，此前三位分别是玛丽·居里（1903年）、玛丽亚·格佩特—梅耶（1963年）和唐娜·斯特里克兰（2018年）。在通过电话得知自己获得诺贝尔奖后，吉兹表示是“对宇宙的热情”使自己成为一名天体物理学家。她同时表示：“获得这个奖项我非常激动，作为第四位获得诺贝尔物理学奖的女性，我非常认真地对待这份责任。我希望能够激励更多年轻女性一起研究物理学，这是一个充满乐趣的领域。 ”
“今年获奖者的发现开辟了致密和超大质量天体研究的新天地。 ”诺贝尔物理学奖委员会主席戴维·哈维兰德（David Haviland）在诺贝尔奖官网上这样评价2020年的获奖成果。同时，他也表示，这些奇特的天体仍然提出了很多有待解答的问题并激励未来的研究。这些问题不仅包括黑洞的内部结构，同时包括如何在黑洞附近这样的极端条件下验证引力理论。
2017年诺贝尔物理学奖授予三位为发现引力波作出杰出贡献的物理学家，而他们首次发现的引力波正是来自两个黑洞合并的事件。 2019年4月10日，科学家发布了首张黑洞照片。 2020年9月23日，一个研究团队在《天体物理学杂志》（The AstrophysicalJournal）上发表了一项研究，公布了根据第一张黑洞照片而制作的动图。这一系列重要的成果表明黑洞研究正在经历一个黄金时代。
一个多世纪以来，黑洞已经从曾经离奇的概念变为天体物理学中最重要的研究方向之一。彭罗斯、根泽尔和吉兹三人的研究，帮助我们认识了宇宙中最神秘的天体，极大地拓展了我们对宇宙的认识。除此之外，已经去世的霍金以及现年86岁的克尔等人的工作也为我们探索黑洞作出了杰出贡献。
这些先驱的工作逐渐为我们勾勒出黑洞的轮廓，但是正如哈维兰德所说，黑洞研究仍然有很多工作要做。在理论方面，在奇点无限大的引力之下，广义相对论不再适用。因此，人们正在构建新的量子引力理论以统一量子力学和广义相对论。而在观测方面，根泽尔和吉兹的工作则引领了新一代的对广义相对论和它的最古怪的预言的精确验证。在这样一个黄金时代里，我们可以期待更多有关黑洞的重要理论和发现不断涌现，从而揭示黑洞的更多秘密。
【南方周末|黑洞研究终得诺奖，先驱获奖实至名归】****特约撰稿鞠强