诺奖解析｜爱因斯坦不信的广义相对论黑暗面，就在银河系中心

10月6日，2020年诺贝尔物理学奖花落三位黑洞发现者：罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和安德里亚·格兹（Andrea Ghez）。

三位获奖者因发现了这一宇宙中最奇特的现象，将获得1000万瑞典克朗奖金（约合760万人民币）。其中，彭罗斯因“发现黑洞形成是广义相对论的坚实预言”拥有一半贡献，根泽尔和格兹则因“发现我们银河系中心有一个超大质量致密天体”而分享另一半。

诺奖官网新闻稿用“黑洞和银河系中最黑暗的秘密”来形容今年的获奖成果。诺贝尔物理学奖委员会主席大卫·哈维兰（David Haviland）表示：“今年获奖者们的发现为致密和超大质量天体的研究开辟了新天地。但是，这些奇异天体仍有许多待解之谜，激励未来研究。不仅有关于它们内部结构的问题，还有如何在黑洞附近的极端条件下检验我们的引力理论。”

罗杰·彭罗斯于1931年出生于英格兰埃塞克斯，1957年博士毕业于英国剑桥大学，现为英国牛津大学数学系W. W. Rouse Ball名誉教授。他在数学物理方面的工作对广义相对论与宇宙学方面具有高度贡献，曾以彭罗斯·霍金奇点理论与霍金共享1988年沃尔夫物理学奖。

莱因哈德·根泽尔于1952年出生于德国巴特洪堡，1978年博士毕业于德国波恩大学，现为马普地外物理所所长、美国加州大学伯克利分校教授。

安德里亚·格兹1965年出生于美国纽约，1992年博士毕业于美国加州理工学院，现为美国加州大学洛杉矶分校教授。

超越爱因斯坦

1915年11月，爱因斯坦的广义相对论横空出世，它从最大尺度上描述我们的宇宙，颠覆了以往所有的时间和空间概念。广义相对论为人类理解引力奠定了新的基础，也成为了此后所有宇宙学研究的基石。宇宙中的一切事物都受到引力的控制：引力把我们固定在地球上；引力控制着行星围绕太阳、太阳又围绕着银河系中心；引力促成恒星生于星际云，又死于引力坍塌。重质量使空间弯曲，令时间流逝变慢。

而一个非常重的质量甚至可以切出一块空间形成黑洞——就在爱因斯坦将复杂的数学方程组发表数周之后，德国天体物理学家卡尔·施瓦茨柴尔德就在一战的东线炮火中算出一个极其怪异的解。

一旦黑洞形成，它就会隐藏在自己的事件视界之内，能吞噬进入视界的一切，包括光。质量越大，事件视界就越大，如果黑洞质量与太阳相当，视界直径约为3公里。

这个概念其实并不新奇。早在18世纪末，英国哲学家、数学家John Michell和法国科学家Pierre Simon de Laplace就认为天体可以变得极其稠密，连光速都不足以逃离它们的引力。后来，物理学家们也普遍认为当大质量恒星寿命走向尽头，发生超新星爆炸，然后就会坍缩成极其致密的残骸。

不过，爱因斯坦本人并不相信这种质量惊人的怪物真的存在。在彭罗斯之前的这些解都被视为理想条件（恒星和黑洞都是正球体、完全对称）下的纸上谈兵。

毕竟，宇宙没有东西是真正“完美”的，而彭罗斯是第一个成功在不理想的条件下给出现实解的人。

1965年1月，在爱因斯坦去世10年后，彭罗斯证明了黑洞确实可以形成，并进行详细描述。这篇开创性的文章至今被视作爱因斯坦之后对广义相对论的最重要贡献。

俘获面是个单向道

为了证明黑洞的形成是一个稳定的过程，彭罗斯需要发展广义相对论的研究方法，也就是用新的数学概念来解决理论问题。

彭罗斯事后回忆道，那是1964年的秋天，他还是伯克贝克学院的数学教授，正在与同事一道散步。正要穿越一条小径时，他们暂时停止了交谈，一个想法划过彭罗斯的脑海。

那天午后，他从大脑里翻出了这个念头：“俘获面”（trapped surface）。这就是彭罗斯苦寻多年的数学工具。俘获面强制所有光指向一个中心，无论这个面是向内还是向外弯曲。

利用俘获面，彭罗斯可以证明黑洞总是藏有一个奇点，一个时空结束的边界。它的密度是无限的，所有已知的自然法则到此终止。

大质量恒星在自身重力下坍塌，形成黑洞，俘获一切进入事件视界的物质，包括光。

一旦物质开始坍塌成一个俘获面，一切都再不可挽回。正如诺奖得主钱德拉斯卡讲述的一个印度寓言：蜻蜓的幼虫活在水下，当它们准备展翼之际，会承诺朋友们，将来告知水面上的生命是什么样子。然而，一旦幼虫成为蜻蜓，飞出水面，就再没有回头路，水中的幼虫永远听不到对面的故事。

同样，所有物质只能从一个方向穿过黑洞视界，然后时间代替了空间，条条可能的路径都指向内，时间的潮流把一切都带向不可避免的奇点。

从外面看，没人能看到你跌入一个超大质量黑洞的过程，根据物理定律，窥视黑洞绝无可能。黑洞把所有的秘密都藏在事件视界后面。

银河系中心的秘密

尽量看不到黑洞里面，但我们可以观察黑洞巨大的引力牵引着周围恒星运动。自1960年代以来，物理学家们就推测包括银河系的大多数大型星系中都存在超大质量黑洞。

而银河系中心一个叫做人马座a*的区域，正有一个强大的无线电源。从我们地球的角度来看，巨大的星际云和尘埃遮住了大部分从那里射出来的可见光，但红外线望远镜和射电望远镜能帮助天文学家们“透视”。

银河系中心和太阳系的相对位置

根泽尔和格兹各自领导着一个天文学家小组。自20世纪90年代初以来，他们发展改进观测技术、设计建造独特的仪器，开始系统性地长期调查人马座a*区域。

天文学界有一条颠扑不破的真理：望远镜越大越好。根泽尔团队使用的是智利的甚大望远镜（VLT），单片镜直径超过8米。格兹团队则使用夏威夷的凯克望远镜，镜面直径约10米，每一面都像一个蜂巢，由36个六角形组成，可以单独调控以聚光。

然而，望远镜上方的大气总会造成干扰，使得星光扭曲、图像模糊。两个团队持续开发和更新自适应光学，将图像分辨率提高了超过1000倍。

研究人员发现，在银河系内中心一光月半径内的恒星移动得最快，像群蜂乱舞。在这个区域以外的恒星则呈现出更为有序的椭圆运动。一颗名为S2的恒星在不到16年的时间内就转了一圈，而太阳要花2亿多年。

银河系中心一些恒星的轨道，最靠近人马座a*的S2速度惊人。

随着银河系最中央区域那些最明亮恒星的轨道越来越精确地呈现在科学家的眼前，这两组人的测量结果走向一致：一个极其沉重、看不见的物体牵引着恒星，令它们以眩目的速度绕行。约等于400万个太阳的质量聚集在一个不比太阳系大的区域。

黑洞是唯一可能的解释。

我们可能很快就能看到人马座a*黑洞。就在一年前，事件视界望远镜组织成功地拍摄到了5500万光年外的M87星系的中心黑洞。

彭罗斯指出黑洞是广义相对论的直接结果，但在奇点的无限强引力下，这个理论就不再适用了。未来，理论物理学领域必须把物理学的两大支柱——相对论和量子力学结合在一起，而这两者正好在黑洞的极深处交汇。