2020诺贝尔物理学奖：黑洞研究从幻想变为现实
在德军东线阵地上，炮兵中尉卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）计算出了爱因斯坦场方程的精确解。史瓦西是一名天文学家、物理学家，当选普鲁士科学院院士不久后，他加入了德国陆军。1916年，史瓦西在寄给爱因斯坦的论文中给出的解表明，如果一个球状对称、不自转的物体实际半径小于一个定值，其周围就会产生奇异的现象，连光和粒子都无法从中逃脱。后人称其史瓦西半径（事件视界），被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。
图片：诺贝尔奖官网
1916年5⽉，史瓦西因感染了天疱疮去世。但史瓦西开始的探索在持续⼀个世纪后，获得了2020年的诺⻉尔物理学奖。该奖授予给三位科学家，他们是：英国物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、德国天体物理学家赖因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和美国天文学家安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez），表彰他们揭露了“黑洞和银河系最黑暗的秘密。”这是第⼀个专⻔颁发的黑洞研究的诺⻉尔奖——承认了⿊洞的存在。“现在，我们认为这些事是理所当然的，"密西西比大学的物理学家利奥·斯坦（Leo Stein）说。“我们已经走了这么远。至少在天体物理学界，我们认为，‘当然有黑洞。’”然而，事实并⾮如此。在最初几十年里，黑洞一直被认为只是爱因斯坦理论的数学产物。
“幻想”黑洞
1916年之后的几年，史瓦西解引发了数学家和物理学家的兴趣，同时也让他们感到惊愕。史瓦西预⾔的"史瓦西半径"—— 一个球状对称、不自转的物体的重力场的精确解。理论上，一个物体的史瓦西半径与其质量成正比，比如太阳的史瓦西半径约为3公里，地球的史瓦西半径只有约9毫米。若物体的实际半径小于其史瓦西半径，那么它被称为“黑洞”。
对一个已经形成的黑洞而言，若把史瓦西半径内的物质看作一个系统，那么这个系统内的所有物质都应该坍缩到一个区域，这个区域要小于质子、电子，或者物质的任何常规部分。也就是说，一旦掉入到史瓦西半径内，即所谓的“事件视界”——黑洞周围连光都无法逃逸的区域，任何物质都无法逃脱，在事件视界之内发生的事情，都会留在事件视界之内。而这些进入黑洞的物质，它们的最终归宿都是奇点。
幸运的是，事件视界“包住”了奇点，从而将我们所在的宇宙空间与其分隔开来。这也是“黑洞”令科学家们着迷的原因，他们想看到“黑洞”的事件视界附近究竟发生了什么？这是无法在实验室里模拟的，科学家们只能寄希望于观察宇宙中的黑洞。
因此，直到20世纪50年代，“黑洞”还是天方夜谭。在这几十年里，“黑洞”研究取得了一些进展，但大多是数学上的消遣。“当时人们认为，‘好吧，这只是幻想。’因为完全超出了物理理论适⽤的领域。"普林斯顿⼤学的物理学家弗朗斯·普里托里厄斯（Frans Pretorius ）说。
理论上，外界观察者无法直接观测到黑洞内部的现象，因为一个黑洞是由奇点与包围住它的事件视界所构成，速度最快的光也无法逃脱到事件视界之外，而裸奇点则与之相反。如果裸奇点真的存在，那么在我们所处的时空中，现有的物理定律也将失效，我们将失去利用广义相对论预测未来事件的能力。
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为了解决广义相对论的复杂性，即时在空弯曲到极限的情况下也能不受困扰，彭罗斯设计了一套数学工具。他特别引入了数学概念“被困表面”，通过引入“被困表面”的概念以及现在著名的用于分析表面如何在时空中定位的图解法来说明这一点。不同于可以使光线沿任何方向射出的普通表面，“被困表面”是封闭的二维表面，即使扭曲使其不再是球体，也只允许光线向一个方向射出，即朝向中心点，使物理学家得以准确地确定黑洞的边界。在边界上，即使是光也无法逃脱被万有引力无情拖拽的命运。（非旋转黑洞的边界位于其史瓦西半径处。）
“我们真的不喜欢奇点，”斯坦说。“事实上，我们可以切掉黑洞时空的内部，用…粉红色的大象或你拥有的东西代替。从外部看，你永远无法分辨出差异，因为它们都隐藏在视界之后。”1969年，彭罗斯又提出了宇宙监督理论（the cosmic censorship hypothesis），这一理论推测，宇宙中存在一位“监督”，它禁止裸奇点的出现。如果这一理论成立，所有这些奇点都拥有一个黑洞边界。即使当黑洞相互碰撞并融合时，奇点（或粉红色的大象）仍会被其边界所隐藏，阻止其存在将外宇宙陷入混乱。
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而在此之前，研究人员一直试图弄清像爱因斯坦方程式的“史瓦西解”（1916年卡尔·史瓦西在纸上计算出的最简单的黑洞种类）在自然界中是否真的存在。这些理论解的研究只是在简化假设下进行的，即假设重力坍缩的物质是一个完美的球体。问题是，由此产生的奇点是否仅仅是完美球面对称性的产物——这在纸上确实有可能，但其本质上是荒谬的。正如彭罗斯在1965年的论文中所说，“偏离球面对称性不能阻止时空奇点的产生。”换句话说，即使恒星扭曲了，它仍然会坍缩到某个点。
彭罗斯发现，空间和时间的维度会在一个“被困表面”内转换角色。时间是指向中心的方向，因此逃离黑洞就像回到过去一样不现实。彭罗斯和史蒂芬·霍金合力论证，类似的分析适用于整个宇宙：当物质和能量在大爆炸中密集聚集在一起时，奇点不可避免地存在。
“（物理学家）会争论不休。他们会得到彼此不⼀致的答案，”美国阿肯⾊⼤学的天体物理学家丹尼尔·肯尼菲克（Daniel Kennefick）说。“原来他们没有真正理解⽆穷⼤的结构，⽽彭罗斯解决了这个问题。”出于对几何学和艺术家（例如M. C. 埃舍尔）的迷恋，彭罗斯还开发出了功能强大且直观的图表，用于捕捉以前无法触及的时空动态。他的图表压缩了空间和时间，将无穷大放于页面，而不是让其延伸至远处。“一旦它位于页面上，你就可以研究它了，”进肯尼菲克说。“ 彭罗斯是优秀的工具制造者。他发明了许多当时用来研究黑洞的工具，我们至今仍在使用。”
而到20世纪60年代末，“黑洞”一词已成为公认的术语。
现实“黑洞”
20世纪50年代时，人们开始以一种完全不同的方式来观察宇宙。也是这时，天⽂学家开始观测到一系列前所未见的光源，能量远远超过正常恒星。但这不是唯一让科学家们惊讶的，人们开始意识到，虽然这些小的星状物的外表看起来就像恒星，但实际上凝聚了银河系百倍的能量，而且看起来也不像星系。究竟是什么能产生相当于一万亿个太阳的能量？科学家们把这类天体不可能达到的称为"类星体"——"准恒星体"的简称。
大多数物理学家是什么时候相信黑洞存在的，这确实很难准确地指出来，但在90年代中期，即使人们没能直接观察到黑洞，但认可了黑洞的存在。盖兹和根泽尔对人马座A *的独立研究为此提供了具体的证据。
根据理论，银河系中央必定藏着一个超大质量黑洞，但天文学家更注重观察和证据。这意味着要实际找到黑洞，并观察到处于运转之中的黑洞。人马座A *当时被怀疑是银河系中心的超大质量黑洞。“通常当我们解释天文观测时，会留下更多的解释空间，” 马里兰大学帕克分校的天文学家苏维·格扎里说道。“银河系中心之所以如此美丽，在于测量结果显示人马座A *是一个拥有400万太阳质量的黑洞之外，是没有别的可能性的。”因为人马座A*若只是一个扩展的星团，那么经过的恒星会被从多个方向拉过来，它们产生的轨道其实是不起眼的。只有当它是一个紧凑的超大质量黑洞，恒星才会以高速掠过。
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此时的黑洞研究，幸运的是，科学家们知道观察它的确切位置，知道望远镜应该瞄在哪里。但不幸的是，我们星系的中央是一个极其拥挤、繁忙的地方，聚集在银河系中央远比我们所处的位置要大得多，并且环境也是极为混乱嘈杂，要想从中找到无形的黑洞，好比在一个车水马龙的大城市中找一个人，周围是各种事物穿梭着。尘埃和气体构成的庞大云团漩涡阻挡了星系中央的可见光，让这一切全都消失在人们的视线中，就好像我们想要观察的物体全都被一张大毛毯笼罩着，周围萦绕着一层厚厚的迷雾，只有特定波长的光线能够穿过，由于没有穿透尘埃视物的方法，银河系中央的理论将仍然只是一个未经证实的大胆推测，但希望尚存。
这一代天文学家已经意识到，要解决这个问题，需要的是新一代的望远镜。盖兹说自己幸运，她所处的年代正好拥有可以处理这个问题的科技，“就好像我正好拿着适当的锤子去找配套的钉子一样。”在盖兹和根泽尔之前，人们缺乏可以跟踪这些轨道所需的精确空间分辨率的望远镜。他们的两个团队都率先采用了消除地球大气层模糊的方法。第一种技术被称为散斑成像，涉及将多次短时曝光组合在一起，每次曝光都足够短暂，以避免大范围的大气失真。然后，被称为自适应光学的更先进方法使得人们可以进行更细粒度的观测。在自适应光学中，激光被发射到夜空中，形成一个“人造恒星”，并由望远镜同时对其成像。（盖兹的小组使用了夏威夷的凯克天文台，而根泽尔则使用了智利的超大望远镜。）这颗人造恒星准确地揭示了大气如何是如何扭曲图象的。一种算法找出了如何抵消这些影响的方法，然后小型执行器使望远镜镜的镜面变形，从而实时消除畸变。
两组团队都瞄准了一颗名为S2的特殊恒星，S2是围绕人马座A *的短椭圆轨道运行的一颗恒星。在S2环绕银河系中心运行的16年中，研究人员利用一种被称为自适应光学的技术极大地改进了望远镜的测量结果，该技术使用激光来校正光线通过地球大气层时造成的模糊。在21世纪初，S2的轨迹以及其他几颗近距离恒星的轨迹表明，人马座A *测量值不到地球与太阳之间的距离的125倍，即使它拥有400万个太阳质量，所以它只能是一个超大质量黑洞。从这时起，天文学家对黑洞进行了直接观测，为几十年来一直被认为只是爱因斯坦理论的数学产物的“黑洞”提供了实际证据。
2012年，格扎里领导的团队披露了观察到的一次潮汐破坏事件。潮汐破坏是委婉的说法，其实是指黑洞撕开一颗距离太近的恒星内部。另一个星系中的恒星破坏事件看起来有点像一颗更亮更长的超新星，这要归因于恒星的其余部分被抛散。格扎里说：“我曾经称它为受害者的'指纹'，但在这种情况下，它就是恒星。”
图片：人类首张黑洞图片
两个黑洞的融合，激光干涉仪引力波天文台（LIGO），以及处女座实验捕获的引力波等事件则进一步证明了这些天体的存在。但迄今为止最令人震惊的证据，非那张由事件视界望远镜（EHT）拍摄的超大质量黑洞图像莫属。这个黑洞位于银河系梅西耶87（M87）星系中心，具有数十亿个太阳质量。在这张略显模糊的照片上，一个尘埃和气体构成的光环勾勒出了巨大的黑洞轮廓，这些尘埃和气体正在“投喂”M87 星系中心的超大黑洞。这一图象让黑洞从幻想成为现实。
亚利桑那大学和EHT的天体物理学家费亚尔·厄泽尔说：“黑洞阴影是一个很好的测试，因为其他理论预测的结果与广义相对论的预测有所不同。”月初，厄泽尔及其同事仔细观察了EHT所见阴影的形状，对广义相对论进行了一些最精确的测量。到目前为止，这些测量结果与预测相符，但有可能随着更高的精度，与广义相对论的偏差会显现出来，这些偏差暗示着更深层的基础理论。
对于天文学家、天体物理学家和数学家来说，“黑洞”迷人又危险，它持续吸引着希望解锁宇宙新秘密的研究人员，并且对旁观者来说，也有着致命的吸引力。肯尼菲克说：“斯蒂芬·杰伊·古尔德曾想知道，为什么恐龙变得如此受欢迎？认为它们不应该获得如此多的关注。”他表示，黑洞具有与恐龙相同的特征：它们看上去很大，它们会吃东西，而且有些恐怖，但离人类很遥远。
如果你回到过去，问身处2000年的盖兹有什么想法，她会告诉你，是“怀疑和兴奋。就是那种身处研究前沿的感觉，你必须不断质疑你看到了什么。”