科技日报记者 张梦然 实习记者 余昊原
2020年，三位科学家因发现了宇宙中最奇特的现象之一——黑洞而获得了今年的诺贝尔物理学奖。罗杰·彭罗斯（Roger· Penrose）的研究表明，相对论理论有力预测了黑洞的形成；赖因哈德·根泽尔（Reinhard·Genzel）和安德里亚·盖兹（Andrea·Ghez）则发现，一个隐形且极重的物体，控制着我们银河系中心恒星的轨道，而超大质量黑洞则是目前唯一已知的解释。
赖因哈德·根泽尔得知自己获得了诺贝尔物理学奖（诺贝尔奖官网）
所有已知规律均在其中失效
一个超重的怪物，会捕获进入其“狩猎范围”的所有物体，没有什么可以逃脱，甚至光也不行，这就是黑洞。在许多文学形式中，黑洞一词都有了其更深的含义，但对于物理学家，黑洞始终是巨型恒星自然耗尽死亡后的产物。
爱因斯坦1915年发表了广义相对论，颠覆了之前所有有关时空的概念，引力塑造了宇宙的最大范围，而相对论为理解引力提供了一个全新的基础。20世纪30年代末，物理学家罗伯特·奥本海默计算出了一颗大质量恒星的剧烈坍塌。（奥本海默后来领导了“曼哈顿计划”，该计划成功制造了首颗原子弹）。当质量为许多倍的大质量恒星耗尽燃料时，它们首先爆炸成超新星，然后坍缩成密度极高的残骸，其引力之大能将一切都拉进内部。
但这些，一直被认为是纯粹的理论推测，直到罗杰·彭罗斯，首先成功地为所有坍缩物质找到了一个现实的解，其利用巧妙的数学方法表明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接预测结果，尽管爱因斯坦本人并不相信黑洞确实存在。
在爱因斯坦去世十年后的1965年1月，罗杰·彭罗斯证明了黑洞确实可以形成并对其进行了详细描述，黑洞隐藏着不能被人理解的奇异之处，所有已知的自然规律在其中都失效了。自爱因斯坦以来，罗杰·彭罗斯的开创性论文，被视为对广义相对论的最重要贡献。
答案只有一个：超大质量黑洞
赖因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹各自领导着一组天文学家，自1990年代初以来，他们一直专注于银河系中心的一个区域。随着精确度的提高，他们成功绘制了离银河系中心最近的最亮恒星的轨道。这两组测量结果都发现：有一种看不见、却非常重的物体，使得这些恒星在其周围以惊人的速度旋转。
这个看不见的物质，在不超过我们太阳系的范围里，竟然有400万个太阳质量那么重。这是什么？根据当前的引力理论，可能的解释只有一个——超大质量黑洞。
赖因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹使用世界上最大的望远镜，开发出了方法，可以通过巨型星际气体和尘埃云看到银河系的中心。他们扩展了技术极限，完善了新技术，补偿了地球大气层造成的扭曲，制造出的独特仪器可被用于长期研究。他们的开创性工作，为我们提供了迄今为止最令人信服的证据，表明银河系中心有一个超大质量的黑洞。
如果有什么是永恒的？那就是未知
罗杰·彭罗斯的研究告诉我们，黑洞是广义相对论的直接结果，但在无限大的奇异性引力中，该理论不再适用。科学家正在理论物理学领域中进行大量工作，以创建新的量子引力理论。这必须将物理学的两个支柱——相对论和量子力学——二者结合在一起，而它们，将在黑洞的极端内部相遇。
同时，赖因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹开创性工作为广义相对论及其预测进行了精确检验，很可能还将为新的理论见解提供线索。
无论如何，宇宙还有许多秘密和惊喜尚待发现。
“不仅是关于它们的内部结构的问题，而且还有关于如何在黑洞紧邻的极端条件下，测试我们的引力理论的问题。”诺贝尔物理学委员会主席戴维·哈维兰德（David Haviland）表示。他认为，正是今年获奖者的发现，为研究紧凑和超大质量天体开辟了新天地，但是这些奇特的物体仍然向人类提出许多问题，激发着人们通过未来的研究给出答案。
图源：诺贝尔奖官网
图片说明：光锥展示光线在时间上向前和向后的路径。当物质坍缩并形成黑洞时，穿过黑洞事件视界的光锥将向内转向奇点。图源：诺贝尔奖官网
