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物理学|物理学奖预测集体“翻车” 黑洞相关研究获诺奖

出品：科普中国
制作：张昊（中国留日同学会）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
刚刚 ， 瑞典斯德哥尔摩传来消息 ， 2020年诺贝尔物理学奖授予下列三位科学家 ， 罗杰·彭罗斯、赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹 。 以表彰他们在天体物理学 ， 特别是利用广义相对论进行黑洞理论研究以及发现银河中心超大质量黑洞方面取得的伟大功绩 。
物理学|物理学奖预测集体“翻车” 黑洞相关研究获诺奖
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△来源：诺贝尔奖委员会官网
罗杰·彭罗斯从理论上推演出黑洞的形成是广义相对论原理的必然结论 ， 因此获得了今年一半的奖金 。 赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹则发现在银河系中央存在一个不可见的超大质量天体 ， 正是由于这一天体提供的庞大引力 ， 银河系的恒星们才能按照目前的轨道运行 。 至于这个超大质量天体是什么 ， 按照人类目前的理论水平 ， 除了黑洞我们无法找出第二种解释 。 因此 ， 二位科学家分享了剩下的一半奖金 。
黑洞究竟是什么？戳这个动画
物理学奖预测“翻车” ， “四大领域轮转”规律惨被打脸
不得不说 ， 今年的诺贝尔物理学奖完全脱离了各界预测的轨道 。 之前根据四大领域（天体物理学、粒子物理学、原子分子及光物理学和凝聚态物理学）轮流转的不成文规律 ， 在去年天体物理学成就获奖后 ， 委员会连续第二年把奖项发给这一领域 ， 实在出乎意料 。 而再向前推移 ， 2017年的引力波探测也属于天体物理学范畴 。 这一领域四年三获诺奖 ， 实在是让其他领域的物理学家们坐不住啊 。
这一方面说明在诺奖委员会眼中 ， 所谓“四大领域轮流转”的规律可能根本不存在 。 另外一方面也说明目前的物理学界 ， 在评委们心目中次序靠前的排队项目并不太多 ， 很多预测者们眼中的热门并不完全符合物理学诺奖的核心主旨 。
值得一提的是 ， 盖兹的获奖使她成为了百年诺奖历史上的第四位女性物理学奖得主 ， 为这一获奖者性别比例最为失衡的领域带来了一丝新鲜气象 。 另外三位女性获奖者 ， 除了大家比较熟悉的玛丽·居里外 ， 还有1963年因原子核研究获奖的玛丽亚·格佩特-梅耶 ， 以及2018年因在激光物理学领域作出突破性贡献而获奖的唐娜·斯特里克兰 。
那么 ， 三位科学家到底做了怎样的工作？
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△来源：699pic.com
用爱因斯坦的理论突破爱因斯坦的想象
【物理学|物理学奖预测集体“翻车” 黑洞相关研究获诺奖】彭罗斯是广义相对论的集大成者 ， 而这一理论的祖师爷正是爱因斯坦 。 爱因斯坦本人并不相信黑洞的存在 ， 他认为这种拥有超大质量 ， 可以吞噬一切的物体过于荒谬 。 而彭罗斯则利用巧妙的数学方法证明黑洞存在是广义相对论成立所能推导出的必然结果 。 1965年1月 ， 彭罗斯证明黑洞确实能够形成 ， 并且详细地对其进行了描述 。 他的理论认为 ， 在黑洞中心存在一个奇点 ， 在这里所有已知的自然规律都将失效 。
直到去世 ， 爱因斯坦始终都对黑洞理论相当不感冒 。 即便没有得到爱因斯坦的肯定 ， 但黑洞的存在已经是现代天体物理学中广为接受的真理之一 。 彭罗斯在广义相对论方面的突出成就可以说是爱因斯坦之后的又一座高峰 。
彭罗斯的成果从提出到得到诺奖认可足足过去了半个世纪之久 ， 这中间经历的无数质疑和抨击 ， 都随着时间的消逝成为了奖杯背后的阴影 。 我们应当由衷感激彭罗斯为拓展人类视野做出的杰出贡献 。
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△来源：699pic.com
银河系中央的怪物
从上世纪九十年代开始 ， 赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹各自带领一支队伍对银河系中心的人马座A* 区域展开观测 。 两支队伍不约而同地发现 ， 这里无时无刻不在上演着诡异的景象：这一区域虽然大小和整个太阳系差不多 ， 但质量却达到了四百万个太阳那么大 。 这里似乎有一个巨大的天体 ， 而且根本无法用光学方式进行观测 。 在这一不可见的庞大引力源的作用之下 ， 附近的恒星群们狂暴地围绕其旋转 ， 速度令人瞠目 。
利用当时世界上最大的天文望远镜 ， 根策尔和盖兹发展出了一种可以透过厚重的星际物质直接观测银河系中央的方法 。 同时 ， 他们还通过对地球大气带来的成像扭曲进行矫正 ， 进一步提升了上述方法的精度和观测极限 。 最终 ， 在他们的努力下 ， 银河系中央存在巨型黑洞的决定性证据呈现在了世人面前 。
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△来源：699pic.com
大门开启 ， 但外面的世界仍是无尽的未知
今天获奖的三位物理学家用开创性的智慧为我们带来了研究超大质量天体的全新方法 ， 他们各自取得的成就也毫无疑问地为人类打开了通往新世界的大门 。 然而 ， 人类却发现仍然有无数的未知在门外等候 。
例如 ， 银河系中央的黑洞有一个太阳系那么大 ， 在如此广阔的空间内 ， 黑洞有着怎样的结构？它的内部是怎样的世界？沿袭着怎样的物理原理？这些物理原理和人类已知的物理原理有何异同？无数的疑问仍然等待物理学家们去思考和探索 。
当然 ， 有人会问：之前获得诺奖的不少研究成果是我们有机会遇到的事物（比如丙肝病毒和锂电池） ， 但是黑洞这种研究对普通人有什么影响？
物理学是研究万物之理的学问 ， 研究物理学的目的就是在认识自然规律的基础上对其加以利用 ， 以造福人类生活 。 宇宙的起源和未来以及人类在其中的位置是人类所面临的终极物理学命题 ， 去年的地外行星探索和今年的黑洞相关研究相继获奖 ， 充分说明了这类议题对于人类的重要意义 。
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△来源：699pic.com
如果你一定要问这类天体物理学的基础研究有什么用 ， 我想答案便是——我们可能无法马上利用天体物理学的知识给人们的生活带来改观 ， 但我们不能接受自己永远身处于无知的黑暗 。
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