诺贝尔物理学奖|遗憾！霍金走的太早了！其论文合作伙伴刚获今年诺贝尔物理奖赖因哈德·根策尔|霍金|黑洞

腾讯科技文/ 乔辉羽佳
10月6日， 2020年诺贝尔物理学奖授予罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)、赖因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)和爱德莉亚·盖兹(Andrea Ghez) ，以表彰前者“发现黑洞形成是广义相对论的一个有力预测”和后两者“发现我们星系中心的超大质量的致密天体” 。

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霍金和彭罗斯
【诺贝尔物理学奖|遗憾！霍金走的太早了！其论文合作伙伴刚获今年诺贝尔物理奖】罗杰·彭罗斯， 1931年出生于英国科尔切斯特。 1957年毕业于英国剑桥大学。现为英国牛津大学教授。霍金是彭罗斯论文的重要合作伙伴，如果霍金活着，大概率也能拿诺奖。 2015年人类首次探测到黑洞合并发出的引力波。 2019年人类首次拍摄到遥远黑洞的照片，这一切也加速了物理诺奖授予黑洞研究的步伐。

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2019年人类公布首幅黑洞照片

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2015年人类首次探测到黑洞合并发出的引力波
我们先看看今年的诺奖成果，然后再谈一例彭罗斯和霍金合作的重要工作。
黑洞和银河系的至暗秘密
上述三位科学家，对宇宙中最奇异的现象之一，即黑洞，有了新的发现，因此获得今年的奖项。罗杰·彭罗斯的研究表明，广义相对论预测了黑洞的形成。赖因哈德·根策尔和爱德莉亚·盖兹发现，在银河系中心，有一个看不见的、极其重的物体，支配着恒星轨道。而目前，对该物体唯一已知的解释就是超大质量黑洞。
罗杰·彭罗斯使用巧妙的数学方法，证明阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论对应着黑洞。黑洞能捕获附近的所有东西，甚至光也无法逃脱，而爱因斯坦自己并不相信黑洞真的存在。
1965年1月，也就是爱因斯坦去世十年后，罗杰·彭罗斯证明了黑洞确实可以形成，并对黑洞进行了详细描述。在黑洞的核心，隐藏着一个奇点，在那里，一切已知的自然法则都会停止。人们认为，彭罗斯的开创性论文，是自爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献。

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观测表明，银河系中心存在一颗巨大黑洞
赖因哈德·根策尔和爱德莉亚·盖兹，两者各自领导着一组天文学家，从20世纪90年代初开始，就关注银河系中心一处名为人马座A*的区域。他们越来越精确得绘制出最靠近银河系中心的最亮恒星的轨道。这两组研究团队的测量结果一致，都发现了一个非常重的、看不见的物体在吸引着一团恒星，使恒星以极快的速度运行。在一个不比太阳系大的区域里，聚集的物质大约为400万个太阳的质量。
根策尔和盖兹开发出新方法，利用世界上最大的望远镜，透过星际气体和尘埃组成的巨大云团，看到银河系的中心。他们改进了新技术，拓展了技术的极限，以解决地球大气造成的影响。他们还设计独特仪器，并致力于长期研究。他们的工作具有开创性，证明银河系中心存在一个超大质量黑洞，这是迄今为止最令人信服的证据。
“今年获奖者的发现，为致密和超大质量物体的研究开辟出新天地。但关于这些奇异的物体，仍有许多问题等待解答，而这些问题则能激发未来研究的积极性。这些问题既涉及其内部结构，还涉及如何在黑洞附近的极端条件下检验我们的引力理论， ”诺贝尔物理学奖委员会主席大卫·哈维兰(David Haviland)说道。

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图注：黑洞的横截面视图。当一颗大质量恒星在自己的引力下坍缩时，会形成一个黑洞，这个黑洞非常重，以至于能捕获经过其事件视界的所有东西，甚至连光都无法逃脱。在视界上，时间取代空间，并且只指向前方。时间的流动把一切都带向黑洞内最远的一个奇点，在那里，密度无限，时间终结。光锥显示了光线在时间上的前后路径。当物质坍缩形成黑洞时，穿过黑洞视界的光锥会向内转向，朝向奇点。外部观察者永远不会看到光线到达视界。

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图注：银河系俯视示意图。银河系直径约10万光年，形状像一个扁平圆盘，其旋臂由气体、尘埃和几千亿颗恒星组成。我们的太阳就是其中之一。

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图注：离银河系中心最近的恒星。这些恒星的轨道是目前为止最令人信服的证据，能证明在人马座A*中隐藏着一个超大质量黑洞。据估计，该黑洞区域不比太阳系大，但质量约为400万个太阳质量。
彭罗斯和霍金在奇性定理方面的合作

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1970年，霍金和彭罗斯证明，我们的宇宙在大爆炸的开端有一个时空奇点。
1916年，在爱因斯坦广义相对论刚刚提出后，德国数学家、天文学家史瓦西（K.Schwarzschild）就得到了爱因斯坦场方程的第一个严格解，即史瓦西外部解或史瓦西度规，也就是数学意义上的黑洞。然而，现实中是否存在黑洞呢？当时科学界是存在很大争议的。

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图注：天体物理学家史瓦西
1939年，美国“原子弹之父”奥本海默（J.Robert Oppenheimer）及其合作者研究了完全球对称、密度均匀，没有旋转，没有压力的理想恒星的坍缩过程。在这种完全理想的前提下，恒星的质量大到一定程度，黑洞的形成是不可避免的，从而形成与外界宇宙隔离的视界（Horizon）。那么，黑洞中心会形成什么呢？奥本海默并没有给出任何解释。但他的方程却暗示着，在黑洞的中心会形成体积无限小、密度无限大的奇点（Singularity）。

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图注：美国原子弹之父奥本海默
然而，奥本海默的模型太简单了，现实中恒星多少都有旋转，不可能完全不受干扰保持完美球对称。因此，任何非完美的恒星在坍缩的过程中，存在发生反弹的可能性，不会在中心形成奇点。关于这一点，前苏联物理学家栗弗席兹（Lifshitz）曾给出过证明。
1964年，英国数学物理学家彭罗斯（Roger Penrose）利用拓扑学的方法证明，无论有什么干扰，在坍缩黑洞的中心会不可避免地形成奇点。
1970年，霍金和彭罗斯证明了，在广义相对论的框架下，我们的宇宙在大爆炸的开端也有一个时空奇点，如果有一天再发生坍缩，必然在大挤压中再次形成奇点。这就是著名的奇性定理（singularity theorems）。
三位获奖者简介
罗杰·彭罗斯， 1931年出生于英国科尔切斯特。 1957年毕业于英国剑桥大学。现为英国牛津大学教授。
赖因哈德·根策尔， 1952年生于德国的巴特洪堡。 1978年在德国波恩大学获博士学位。现为马克斯·普朗克外层物理研究所主任，兼任美国加州大学伯克利分校教授。
安德莉亚·盖兹， 1965年出生于美国纽约。 1992年在美国加州理工学院获博士学位。现为美国加州大学洛杉矶分校教授。
奖金总额
奖金总额为1000万瑞典克朗（约合760万人民币），其中一半奖给罗杰·彭罗斯，另一半奖给赖因哈德·根策尔和安德莉亚·盖兹。

诺贝尔物理学奖|遗憾！霍金走的太早了！其论文合作伙伴刚获今年诺贝尔物理奖

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