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年诺贝尔物理学奖

图源：nobelprize.org

导读

黑洞，是宇宙中最奇特的现象之一。诺贝尔物理学奖于北京时间10月6日18时正式揭晓,三位科学家罗杰·彭罗斯（RogerPenrose；英国），雷因哈德·根泽尔（ReinhardGenzel；德国）和安德里亚·盖兹（AndreaGhez；美国）因在发现黑洞方面做出突破性的贡献，共同分享此次奖项。

诺贝尔物理学奖已经颁发一百多次。宏观至宇宙探索，微观至原子结构，都是物理学奖得主们的研究领域。回顾过去颁发的这个奖项，能发现不少有趣的数字。

次：自年首次颁奖至年，诺贝尔物理学奖已颁发次。因战争等原因，有6个年份未颁奖，分别为年、年、年、年、年和年。首名获奖者是发现X射线的物理学家伦琴，其他获奖者还包括爱因斯坦、居里夫人（玛丽·居里）、玻尔等。

1对夫妻：在物理学奖历史上，曾有一对夫妻同时获奖，即人们所熟知的居里夫妇。玛丽·居里和丈夫皮埃尔·居里因对放射性现象的研究获得年诺贝尔物理学奖。有意思的是，居里夫妇的女儿伊雷娜·约里奥-居里与丈夫弗雷德里克·约里奥年同获诺贝尔化学奖。

2次获奖：截至年，共有人次获得诺贝尔物理学奖，其中约翰·巴丁在年和年两次摘走物理学奖，因此实际获奖人数为人。玛丽·居里也曾两次获诺奖，但奖项不同，年获物理学奖，年获化学奖。

3名女性：历史上仅有3名女性获得诺贝尔物理学奖，除玛丽·居里外，另两人分别是年因原子核研究获奖的玛丽亚·格佩特-梅耶，以及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。

4对父子：父子均获诺贝尔物理学奖的共有4对，其中威廉·布拉格与劳伦斯·布拉格于年同时获奖，其他三对父子不是同年获奖。

25岁与96岁：截至年,最年轻的诺贝尔物理学奖得主是年获奖的劳伦斯·布拉格,时年25岁。最年长的获奖者为阿瑟·阿什金,年获奖时已96岁。

47次独享：诺贝尔奖的某一奖项可以同时授予两项成就以及最多三名获奖者。截至年,诺贝尔物理学奖有47次由一人独得,32次由两人共享,34次由三人分享。

本文将介绍年诺贝尔物理学奖获得者的主要成果，总字数，阅读约21分钟。

特别感谢清华大学天文系蔡峥老师,物理系研究生团总支,物理系/天文系/工物系等专业同学的鼎力支持！

01

意义和价值

罗杰·彭罗斯证明了黑洞是由广义相对论导出得到的直接结果。但是该理论在黑洞中心奇点处的无限强引力极限下就会失效。目前,理论物理学家们试图建立起量子引力理论来解释这个问题。

莱因哈德·根泽尔和安德里亚开创了对广义相对论及其预言的新一代精确观测方法。这些新的观测方法将为未来的众多天文理论研究提供直接观测证明。在浩瀚无垠的宇宙中，还有太多太多的秘密和惊喜为人类所探索。

02

师生热评

Genzel使用了亚毫米波射电干涉仪，于年首次提出银河系中心黑洞的质量在（2.5±0.6）*10^6个太阳质量的尺度上。通过高分辨率的观测手段，观测银河系中心周围恒星的运动推测出银河系中心黑洞的质量。

Ghez利用加州理工大学的凯克十米望远镜，在红外波段更加精确地观测了黑洞周围恒星的运动，并且计算出了更加准确的银河系中心黑洞质量。

Penrose通过对广义相对论的研究，实现了对黑洞的预测，为黑洞研究打下了坚实的基础，此次获奖也是对他理论研究的肯定。

正如诺奖评选委员会所指出的那样，对于致密大质量天体的性质和演化的研究一直是宇宙学中的一个充满挑战但重要而有趣的问题。研究这些问题的意义，不仅仅表现在从实验角度拓展了人类对宇宙的认识，更在于可以通过在极端条件（如黑洞附近）下精确检验现有的引力理论，来推动理论物理学的发展。

黑洞的发现离不开天文物理学家从理论和实验上的通力合作，获奖者之一罗杰·彭罗斯（RogerPenrose）从理论上通过精妙，富有创造性的数学技巧，证明了黑洞在理论上的可能性，这是自爱因斯坦提出广义相对论以来，对广义相对论最有意义和创造性的应用。两位实验天文物理学家莱因哈德·根泽尔（ReinhardGenzel）和安德里亚·格兹（AndreaGhez）则在实验技术上推陈出新，优化了天文观测技术中地球大气层信号的干扰，并发明了新的天文观测仪器，成功观测到了位于银河系中心处具有四百多万个太阳质量的超重天体的存在证据。黑洞的发现，意义可谓是极其深远，从技术上，它开创了对于遥远天体更为先进，精确的高超观测技术，极大拓展了人类的眼界。

从理论上，它是对广义相对论的大胆应用，开辟了和黑洞相关的一系列学科，如黑洞物理学等，为人类提供了一个研究新奇数学物理规律，探索物理更普适性规律的绝佳研究平台。许多在科幻片中才可以看到的巨大，贪婪的怪兽,原来就确确实实存在于我们熟悉的银河系的中心，如同饕餮一般,大快朵颐着周围的一切物质,甚至是连没有静止质量的光子也难逃它的魔掌。

“当我们在凝视深渊的时候，深渊也在凝视着你。”尽管黑洞距离我们如此遥远，看似和人类毫无关联，但银河系中心黑洞的存在却稳定了我们银河系一百多亿年的正常运作，和全人类的命运休戚相关。人类也从来没有放弃过对宇宙更深次奥秘的努力探索。苏子有言“哀吾生之须臾，羡长江之无穷。”或许，我们的智慧与生命，同无垠的宇宙相比，是如此的有限，如此渺小。但我们永远需要这么一批人，敢于仰望星空，敢于浪漫地，自由地去想象，去创造。

诺贝尔物理学奖在四年中第三次颁给了天文方向，难怪有人开玩笑说今年又是诺贝尔天文奖。笑谈归笑谈,本次诺奖的成果在物理领域依然有着重大的意义:人类对黑洞的认识更近了一步。

在现代物理学研究当中，理论、实验、计算是三条通向真理的主要途径；而在天文学中，实验即是观测。这三条途径在人类追求真理的过程中缺一不可，相互支持。三位获奖者的学术工作都和黑洞相关，分别通过理论和观测两种途径共同逼近黑洞的奥秘。

同样令人向往的是，本次诺奖成果为我们指出了未来的宇宙学探究方向。19世纪末20世纪出，漂浮在经典物理大厦上空的两朵乌云分别引出了相对论和量子力学的发现，形成了现代物理学的绝对基础，从而引启了20世纪物理学的大发展。但两大理论体系见无法联通始终是现代物理学的遗憾。彭罗斯的理论并不适用于黑洞中心的极端引力环境，目前可行的解决方案是引入量子引力理论连结二者。相对论和量子力学的共融将是几代物理学家梦寐以求的美丽图景。

ReinhardGenzel主要是因为观测了非常接近银河系中心的恒星运动，发现它们的速度能接近km/s，表明它们在围绕一个质量巨大体积却很小的致密物体运动；AndreaM.Ghez用高分辨率的成像技术研究了银河系中心的恒星的运动。年她的小组确认了一颗名为S0-的恒星，该恒星离银河系中心非常近，根据该恒星的轨道运动，他们最终确认银河系中心致密天体的质量为（4.1±0.6）*倍的太阳质量。

03

介绍广义相对论和黑洞

广义相对论是由阿尔伯特·爱因斯坦等人自年开始发展，最终在年基本完成。广义相对论是基于广义相对性原理并利用微分几何来描述引力的理论。年爱因斯坦发表狭义相对论后，他开始思考如何将引力纳入狭义相对论框架。在历经多次弯路和错误之后，他于年11月在普鲁士科学院上作了发言，并提出了著名的爱因斯坦引力场方程。此方程描述了处于时空中的物质是如何影响其周围的时空几何，并成为了爱因斯坦广义相对论的理论核心。在引力场方程中，引力被认为由时空弯曲产生，用里奇张量描述，也称时空曲率张量。爱因斯坦引力场方程将时空曲率和描述物质及辐射的能量动量张量联系在一起。

公式1：带宇宙学常数的爱因斯坦场方程

上世纪初，广义相对论被视为一种古怪的异论，但由于它和狭义相对论相融，并能够解释很多牛顿引力无法解释的现象，因此它很明显优于牛顿理论。爱因斯坦在年证明了广义相对论能够解释水星轨道的反常近日点进动现象，其过程不需要任何附加参数。此实验验证是由亚瑟·爱丁顿爵士观测到的日食时光线在太阳引力场中的偏折，其偏折角度和广义相对论的预言完全相符，证实了广义相对论的正确性。直到年至年间，广义相对论才真正进入了理论物理和天体物理主流研究的视野，这一时期被人们称作广义相对论的黄金时代。

黑洞是时空展现出引力极端强大的区域，以至于没有粒子，甚至光都无法逃逸。广义相对论预测，足够紧密的质量可以形成时空奇点，形成黑洞，该区域的边界称为事件视界。早在18世纪，约翰·米歇尔和皮耶-西蒙·拉普拉斯就考虑过引力场强大到光线都无法逃逸的物体。年，卡尔·史瓦西发现了广义相对论现代黑洞模型特征的第一个非平庸精确解——史瓦西度规，这个解是研究星体引力坍缩的最终阶段，即黑洞的理论基础。

公式2：史瓦西线元

在年，罗伊·克尔为自转黑洞找到了精确解。两年后，埃兹拉·纽曼发现同时带有电荷和旋转黑洞的正对称解。经历了维尔纳·以色列、布兰登·卡特、和大卫·罗宾逊等人的工作，人们提出了无毛定理。无毛定理指出固定黑洞解完全可以由克尔-纽曼度规的三个参数：质量、角动量和电荷来描述。

起初，有人怀疑黑洞解的奇怪特征是由于对称性条件导致，并且在一般情况下不会出现奇点。尤其是抱有此种观点的弗拉迪米尔·贝林斯基、伊萨克·玛律科维奇·哈拉特尼科夫、和叶夫根尼·利夫希茨，他们尝试证明黑洞奇点不具有一般性。然而，在年代后期，罗杰·彭罗斯和史蒂芬·霍金使用全局方法证明了奇点是一般性的，这便是著名的奇点定理。

奇点定理指出了时空中一旦形成事件视界，则必然在事件视界内部存在时空奇点，即时空奇点可以在巨型天体的引力塌缩中形成。奇点定理的证明是全局方法在广义相对论中使用的范例。根据奇点定理，人们预测恒星质量的黑洞会在恒星的生命周期结束的坍塌时形成。黑洞形成后，它可以经由吸收周边的物质来继续生长。通过吸收其它恒星并与其它黑洞合并，可能形成数百万太阳质量的超大质量黑洞。人们一致认为，大多数星系的中心都存在着超大质量黑洞。

04

关于研究成果的简要背景资料

超越爱因斯坦的突破

在爱因斯坦去世十年后，英国理论家罗杰·彭罗斯证明了黑洞可以形成并描述其性质，尽管广义相对论之父爱因斯坦不承认黑洞的实际存在。在它们的中心，黑洞隐藏着一个奇异点，所有已知的自然法则都在此失效。为了证明黑洞的形成是一个稳定的过程，彭罗斯需要扩展用于研究相对论的方法-用新的数学概念解决该理论的问题。彭罗斯的开创性文章发表于年1月，至今仍被认为是自爱因斯坦以来对广义相对论的最重要贡献。

引力统治着宇宙

爱因斯坦在年11月提出自己的理论时，颠覆了所有以前的时空概念。该理论为理解引力提供了全新的基础，引力最大程度地塑造了宇宙。从那时起，这一理论为所有宇宙研究提供了基础，并且在我们最常用的一种导航工具GPS中也得到了实际应用。爱因斯坦的理论描述了万物如何被万有引力所吸引。重力使我们保持在地球上，它控制着围绕太阳的行星的轨道和围绕银河系中心的太阳的轨道。它导致星际云中恒星的诞生，并最终在引力坍塌中死亡。引力使空间成形并影响时间的流逝。有质量的物体会弯曲空间并减慢时间；一个大质量的物体甚至可以切开并封装一个空间，形成一个黑洞。广义相对论发表仅几周后，人们就首次对黑洞在理论上进行了描述。尽管该理论的数学方程式极为复杂，但德国天体物理学家KarlSchwarzschild（卡尔·史瓦西）依然给出了爱因斯坦场方程的一个在真空下的理论解，以描述重物如何使空间弯曲以及影响时间流逝。后来的研究表明，一旦形成了黑洞，它就会被事件视界包裹，该事件视界像面纱一样围绕其中心的质量移动。黑洞永远隐藏在其视界范围内。质量越大，黑洞及其视界就越大。对于相当于太阳的质量，事件视界的直径近三公里，对于像地球一样的质量，事件视界的直径只有9毫米。

超越完美的解决方案“黑洞”

尽管黑洞的概念在很多文化表述中都有了新的含义，但是对于物理学家来说，黑洞是巨型恒星演化的自然终点。物理学家罗伯特·奥本海默（RobertOppenheimer）于年代末对大质量恒星的剧烈坍塌进行了首次计算：当比恒星重许多倍的巨型恒星耗尽燃料时，它们首先爆炸成超新星，然后坍塌成堆积非常密集的残余物，其重量如此之重以至于引力可以将所有东西拉到内部，甚至是光。

早在18世纪末，英国哲学家和数学家约翰·米歇尔（JohnMichell）以及著名的法国科学家皮埃尔·西蒙·德拉普拉斯（PierreSimondeLaplace）便开始考虑“暗星”的概念。两者都认为天体会变得如此致密，以至于它们看不见-甚至光速也不够快以逃避它们的引力。一个多世纪以后，当爱因斯坦发表他的广义相对论后，物理学家通过解场方程得到了一些关于暗星的解。直到年代，这些解决方案一直被视为纯粹的理论推测。其描述了理想的天体情况，其中的恒星及其黑洞完全是圆形且对称的。但是宇宙中没有什么是完美的，罗杰·彭罗斯率先提出了有不规则形变以及缺陷的崩塌物质的解决方案。

类星体之谜

年，随着类星体（宇宙中最亮的物体）的发现，黑洞的存在问题再次浮出水面。近十年来，天文学家一直被神秘来源（如处女座星座中的3C）的射线所困扰。可见光辐射最终揭示了它的真实位置–3C距离如此遥远，射线向地球传播了十亿多年。光源距离地球如此之远，那么它的强度必须等于几百个星系的光。它被命名为“类星体”。天文学家很快发现类星体是如此遥远，它们在宇宙的早期就发出了辐射。这种不可思议的辐射从何而来？只有一种方法可以在类星体的有限体积内获得大量能量-从掉入巨大的黑洞的物质中来。

陷俘面概念解开了谜团

在现实条件下是否会形成黑洞，这是令彭罗斯困惑的问题。正如他后来回忆的那样，答案出现在年秋天，当时他与伦敦的一位同事一起散步，彭罗斯是伯克贝克学院的数学教授。当他们停下来聊一会儿穿过小街时，一个念头浮现在他的脑海。那天下午晚些时候，他在记忆中搜寻了它。这个想法被他称为陷俘面（trappedsurface），是他不知不觉中一直在寻找的关键，它是描述黑洞所需的关键数学工具。

陷俘面迫使所有光线指向中心，而不管表面是向外弯曲还是向内弯曲。彭罗斯使用陷俘面可以证明黑洞总是隐藏着奇异性，即时空的边界。它的密度是无限大，到目前为止，还没有关于如何解决物理学中最奇怪现象的理论。“陷俘面”成为彭罗斯奇异性定理证明的中心概念。现在，他介绍的拓扑方法在研究弯曲的宇宙中具有不可估量的作用。

一条通向时间终点的路

一旦物质开始坍塌并且形成了陷俘面，就无法阻止坍塌的继续。就像物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（SubrahmanyanChandrasekhar）讲故事一样，这是没有回头路的。这个故事是关于生活在水下的蜻蜓及其幼虫的：当幼虫准备展开翅膀时，它承诺会告诉其朋友水面另一边的生活。但是一旦幼虫通过水面并像蜻蜓一样飞走，就没有回头路了。水中的幼虫永远不会听到另一边的生命故事。

同样，所有物质只能沿一个方向越过黑洞的事件视界。然后，时间取代了空间，所有可能的路径都指向内部，时间流将所有事物带向了不可避免的奇点。如果您掉入了超大质量黑洞的视界，您将不会有任何感觉。从外面看，没有人能看到你跌倒，通往视界的旅程将永远持续下去。在物理学定律范围内，不可能窥探黑洞。黑洞将所有秘密隐藏在事件视界之内。

黑洞控制着恒星的路径

即使我们看不到黑洞，也可以通过观察其巨大引力如何引导周围恒星运动来确定其性质。莱因哈德·根泽尔和安德烈亚·盖兹分别领导着独立的研究小组，他们探索我们银河系的中心。从地球上的有利位置看，巨大的星际气体和尘埃云遮盖了大部分来自银河系中心的可见光。红外线望远镜和射电技术是最早使天文学家透过星系盘看到并成像中心恒星的图像。根泽尔和盖兹以恒星的轨道为指导，提供了最有说服力的证据，表明那里隐藏着一个看不见的超大质量物体，黑洞是唯一可能的解释。

黑洞的横截面

图源：nobelprize.org

当大质量恒星在其自身引力作用下坍缩时，它形成的黑洞非常重，以至于捕获了所有穿过事件视界的东西，甚至连光都无法逃脱。在事件视界中，时间代替了空间，只指向前方。时间流将所有事物带向黑洞内的奇点，此处密度是无限的并且时间在此终结。

专注于中心

五十多年来，物理学家一直怀疑银河系中心可能存在黑洞。自从年代初发现类星体以来，物理学家就认为可能在包括银河系在内的大多数大型星系中发现超大质量黑洞。但是，目前尚无人解释这些质量在几百万至数十亿个太阳质量之间的星系及其黑洞是如何形成的。一百年前，美国天文学家哈洛·沙普利（HarlowShapley）率先在人马座的方向发现了银河系的中心。在后来的观察中，天文学家在那里发现了一个强大的无线电波源，被称为人马座A*。到了年代末期，人们发现人马座A*占据了银河系的中心，银河系轨道上的所有恒星都围绕着它。直到年代，更大的望远镜和更好的设备才使人马座A*得以更系统地被研究。莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹各自启动了一些项目，试图从尘埃云中透视银河系的心脏。他们与研究小组一起开发和完善了技术，建立了独特的仪器，并致力于长期研究。

图源：nobelprize.org

只有世界上最大的望远镜才能注视遥远的恒星（天文学上望远镜绝对越大越好）。德国天文学家莱因哈德·根泽尔和他的小组最初使用的是NTT，即智利LaSilla山上的新技术望远镜。他们最终将观测资料移至Paranal山脉（也在智利）的甚大型望远镜设施VLT。VLT拥有四台巨型望远镜，其大小是NTT的两倍，是世界上最大的整体镜，直径均超过8米。在美国，安德里亚·盖兹（AndreaGhez）和她的研究小组使用位于夏威夷山上的凯克天文台。它的镜体直径近10米，目前是世界上最大的镜体。每个镜体都呈蜂窝状，由36个六边形的部分组成，可以分别控制以更好地聚焦星光。

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尽管望远镜很大，但由于我们位于一片接近公里深的大气“海”底部，所以它们可以分辨率总是有限的。望远镜上方的大气泡比周围的环境温度或高或低，它们像透镜一样，将光线折射到望远镜的镜体上，使光波失真。这就是恒星闪烁的原因，也是其图像模糊的原因。自适应光学的出现对于提高观测质量至关重要。望远镜现在配备了薄的附加镜，可以补偿空气的湍流并纠正畸变的图像。近三十年来，莱因哈德·根泽尔（ReinhardGenzel）和安德里亚·格兹（AndreaGhez）一直跟随着我们银河系中心遥远的恒星团。他们不断开发和完善该技术，并配备了更加灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学器件，从而使图像分辨率提高了千倍以上。现在，它们能够更精确地确定恒星的位置，并在夜间进行跟踪。研究人员跟踪了众多恒星中约30个最明亮的恒星。恒星在距中心一光月半径内移动最快，像一群蜜蜂在舞蹈一样。另一方面，在该区域之外的恒星则以更有序的方式遵循其椭圆形轨道（图4）。

一颗称为S2或S-O2的恒星在不到16年的时间内完成了绕银河系中心一周。这是一个非常短的时间，因此天文学家能够绘制它的整个轨道。我们可以将其与太阳进行比较，太阳需要2亿多年的时间才能完成绕银河系中心的一圈。当我们开始当前这一圈的时候，恐龙正在地球上行走。

我们的银河，从上方看像一个大约直径,光年的光盘。它的旋臂由气体和灰尘以及几千亿颗恒星组成。这些恒星之一就是我们的太阳。

图源：nobelprize.org

理论和观测相互印证

理论和观测结果相互之间的一致性非常好，结论是：我们银河系中心的黑洞应相当于约万个太阳质量，并被塞进了一个与我们太阳大小相同的区域系统。我们可能很快就会直接看到人马座A*，这将是下一个超大质量黑洞，因为就在一年多以前，EventHorizon望远镜网络成功地成像了离它最近的周围环境。在距我们万光年远的星系Messier87（M87）中，有一个周围环绕着火环的黑洞。M87的黑色核心巨大，比人马座A*重一千倍，比引起最近发现的引力波的碰撞黑洞也要重得多。

获奖者介绍

图片来源：百度百科

RogerPenrose

罗杰·彭罗斯（RogerPenrose），英国牛津大学教授。年出生于英国科尔切斯特，年英国剑桥大学获得博士学位。

图片来源：腾讯网

ReinhardGenzel

莱因哈德·根泽尔（ReinhardGenzel），年生于德国的巴特洪堡。年于德国波恩大学获得博士学位。德国加兴马普地外物理研究所所长，美国加州大学伯克利分校教授。

图片来源：腾讯网

AndreaGhez

安德烈亚·盖兹(AndreaGhez)现任美国加州大学洛杉矶分校教授。年出生于美国纽约,年于美国加州理工学院获博士学位。

参考文献

[1]