2020年诺贝尔物理学奖解读宇宙中最黑暗的秘密

□文/杨先碧

宇宙中最黑暗的地方是哪里？我们几乎可以脱口而出：黑洞！同时，黑洞也是宇宙中最神秘的天体，它因难以探测而一度被人认为是仅存在于科幻小说中的天体。然而，越来越多的科学探索证实了黑洞的确存在于茫茫宇宙中。2020年诺贝尔物理学奖就颁给了研究黑洞的科学家，他们分别是英国数学物理学家罗杰·彭罗斯、德国天体物理学家赖因哈德·根策尔和美国天体物理学家安德烈亚·盖兹。

银河系中心的超大质量黑洞

看不见的天体

1915年11月25日，物理学家爱因斯坦向外界介绍了自己创立的广义相对论，指出万有引力的本质就是时空弯曲。不到一个月后，德国物理学家史瓦西根据这个理论发现，如果一个天体质量特别大而半径又特别小，强烈的时空弯曲所形成的“凹坑”会将其隐藏起来。

史瓦西还由此推导出天体的视界半径。所谓视界半径，就是看得见的半径。后来科学界称之为史瓦西半径，它等于万有引力常数乘以2倍天体质量，再除以光速的平方。如果一个天体的真实半径大于史瓦西半径，它就能被我们看到；反之，它就会消失在我们的视野之外。

宇宙中真的有看不见的天体吗？一些恒星在燃料逐渐消耗减少的过程中，会不断坍缩，真实半径逐渐减小。如果其坍缩到真实半径比史瓦西半径还小时，我们就看不到这颗星星了。虽然这颗星星“隐身”了，但它还是真实存在的。1962 年，美国天文学家罗伯特·狄克将这种消失的天体称为黑洞。

证明黑洞的坍缩

虽然史瓦西在1915年就根据广义相对论预言了黑洞的存在，但是之后20多年都有一个问题难以解决，那就是天体真的会坍缩成黑洞吗？1939年，美国物理学家罗伯特·奥本海默等人证明了这个问题，不过他们证明的前提是天体是个高度对称的完美球体。

事实上，宇宙中并不存在这样的“完美天体”。那么，真正的天体会坍缩成黑洞吗？1964年，数学物理学家彭罗斯利用拓扑学巧妙地完成了最终的证明。彭罗斯上大学时学的是数学，但是他特别喜欢天文学，尤其喜欢研究天体物理学中的一些难题。

彭罗斯不但完成了天体可坍缩成黑洞的证明，还提出黑洞内部的物质会在强大引力的作用下坍缩成一个密度无穷大的点，即天体物理学中的神秘“奇点”。1970年，彭罗斯还和英国物理学家霍金一起提出了奇点定理。这个定理给出了奇点和黑洞在宇宙中存在的条件，这就给天文学家搜索黑洞指明了方向，他们可以根据这些条件去寻找宇宙中这些最黑暗的天体。

银河系中的超大黑洞

尽管科学家从理论上预言了黑洞的存在，但是黑洞因为几乎不会发射电磁波而难以被天文望远镜直接观测到。因此，在很长一段时间里，不少科学家都不相信宇宙中有黑洞。根策尔和盖兹就在银河系中发现了一个黑洞，而且是一个超大质量黑洞。

在根策尔和盖兹发现黑洞之前，一些科学家根据计算预测银河系中心可能有一个超大质量黑洞，它位于射电源人马座A＊，距离地球2.5万光年。科学家还提出，室女座方向M87星系核心（M87＊）也可能有超大质量黑洞。

根策尔年轻的时候是德国最好的标枪运动员之一，甚至能与国家队一起备战1972年慕尼黑奥运会，后来他的兴趣转向了天文学研究。根策尔根据天文观测结果发现，绕着银河系中心运动的气体云的速度实在是太快了，只有那里存在一个看不见的超大质量天体，才能产生巨大的引力让那些气体云留在现有轨道上。

根策尔、盖兹和彭罗斯（从左至右）

而盖兹对射电源人马座A＊中的一颗名为S2的恒星特别关注，她通过分析S2的可变光谱，计算出这颗恒星的速度变化，结果发现了梦寐以求的引力红移现象。而这种现象正好能证明S2所处的区域有一个超大质量黑洞。

根策尔使用的是位于智利的新技术望远镜和甚大望远镜，盖兹使用的是位于夏威夷的凯克望远镜。两人领导的研究小组都得到了非常一致的结果，确定了人马座A＊中心是一个超大质量黑洞。他们还计算出这个黑洞的质量是太阳的414万倍。

黑洞研究的意义

相对于诺贝尔生理学或医学奖以及化学奖来说，物理学奖的获奖成果大多离人们的生产和生活较远。每年奖项公布之后，不少人总会嘀咕：这项成果究竟有啥用呢？

今年也不例外，很多关心诺贝尔奖的人都想知道，黑洞研究对我们究竟有何意义？

首先，所有的天文学研究都可以满足人们的好奇心，让人们了解自己身处的宇宙究竟是什么样子，其中隐藏着多少秘密。而黑洞就是一个大秘密，我们得依赖现代科技手段才能揭开笼罩在它“身上”的一层层面纱。

未来的太空旅行需要避开黑洞

比如，人们曾经以为黑洞是个只进不出的“貔貅类大胃王”，后来霍金等人发现，黑洞其实也会“打嗝”，时不时向外喷射能量和物质。这被人们称为“霍金辐射”。虽然人马座A＊中心是一个超大质量黑洞，但人马座A＊却是一个十分明亮的射电源，这是因为那个超大质量的黑洞会释放出海量能量，这些能量可以形成明亮的类星体。

又比如，人们曾经以为质量很大的天体才会形成黑洞，后来科学家推算出只有一个原子大小的超级小黑洞，那是在宇宙形成初期时的原初黑洞，不过它们存在的时间也非常短，今天已经看不到了。

其次，黑洞研究在未来会有一些很实际的用途。比如，黑洞研究可为未来的太空航行打下坚实的基础。毋庸置疑，就如同科幻小说描绘的那样，在星际航行中遭遇黑洞是很可怕的事情。未来人们在星际航行时将会拥有一份太空地图，人们将避开地图中所标注的黑洞区域。

一些科学家还认为，黑洞中蕴藏着难以想象的物质和能量，总有一天人类可以用人造黑洞来作为动力或发电。美国科学家路易斯·克兰就认为人造黑洞可以充当星际飞船的动力。克兰坚信，人造黑洞散发出来的“霍金辐射”将成为星际飞船唯一的可选动力。

虽然这些设想科幻味十足，但是我们相信会有那么一天，人们可以利用黑洞做很多事情。当然，我们不希望把黑洞用来做武器。