宇宙中最黑暗的秘密

黑洞是宇宙中最神秘、最不可预测的天体，其惊人的力量曾一度被视为人们非理性的幻想。长久以来，黑洞被摆在神秘怪异的位置上，被科幻小说家描述为吞噬一切的宇宙“怪兽”。黑洞在让无数人迷恋其无限可能性的同时，也为人们带来了无尽的遐想。然而，在岁月的沉淀中，越来越多的科学探索揭示了这一天体的存在。那个不眠不休的黑洞，在时空的旋涡中演化着，以一种令人生畏的方式改变着我们对无垠宇宙的认知。2020年，诺贝尔物理学奖首次颁发给了研究黑洞的科学家，他们分别是英国数学家罗杰·彭罗斯、德国天体物理学家赖因哈德·根策尔和美国天文学家安德烈娅·盖兹。

看不见的天体

1915年11月25日，物理学家爱因斯坦向世人公开了自己创立的广义相对论。在他的理论中，万有引力是时空弯曲产生的，而这种弯曲是天体对时空的压迫产生的。没过多久，也就是在当年的12月，德国物理学家施瓦西根据爱因斯坦的相对论，发现了一个极为特殊而奇妙的现象：当一个天体的质量特别大而半径又特别小时，弯曲的时空会形成一种深不见底的凹坑，把这个天体彻底地隐藏起来。这就好比一个铁球掉进了沙堆，铁球消失不见了。

从施瓦西的数学推导中，我们还可以得知视界半径的概念。所谓视界半径，就是某个天体能被我们观测到的最小半径。如果某个天体的半径小于视界半径时，我们将无法感知到该天体的存在。这是因为，如果天体半径过小的话，重力场就会超级强大，以至于连光都无法逃脱。因此，视界半径常被认为是测量黑洞大小的一种方式。如果我们的视线没有越过这个固定的范围，我们就永远不可能看到黑洞的存在。

视界半径不仅与黑洞相关联，还可以用于测量其他天体，如测量恒星、星系，等等。它反映了我们观察宇宙的局限性，但也启示我们不断深入研究宇宙的奥秘，让我们更好地理解这个神秘的世界。如今，视界半径被定名为“施瓦西半径”。如果一个天体的真实半径大于施瓦西半径，那么我们就能观测到它；反之，它就会默默地消失于我们的视野之中。

科学家发现一些恒星很可能已经成为黑洞，这些恒星因内部的核聚变而发光发热，随着核聚变燃料的持续消耗，它们会缓缓地坍缩，其真实半径逐渐减小。数十亿年后，这些恒星会坍缩到真实半径比施瓦西半径还小，此时它们就会消失在我们的视野中。但是，这些天体并非化为乌有，它们依然默默地停留在原来那个地方。

拿太阳来说吧，它的真实半径约为69.6万千米，而其施瓦西半径只有3千米，所以我们现在依然可以见到太阳。大概50亿年后，太阳会耗尽自己的燃料，逐渐坍缩成白矮星，太阳的质量不支持它进一步坍缩。太阳坍缩成的白矮星的半径接近1万千米，远超3千米，因此太阳将来不会演化成黑洞。

与太阳相比，地球是个“小个子”，它的半径只有6371千米，不足太阳半径的百分之一。那么，地球是否更容易演化成一个黑洞呢？并非如此，因为像地球这样的行星不会因核聚变而坍缩。假设有一股力量不断地使地球的体积减小（实际上这是不可能的），当地球的半径减小到可怜的9毫米时，它才可能变成一个黑洞。

证明黑洞的坍缩

尽管施瓦西在1915年就根据广义相对论的预言，揭示了黑洞的存在，但在之后的20多年里，一个问题一直困扰着人们：真的有天体坍缩成黑洞吗？直到1939年，美国物理学家罗伯特·奥本海默等人才完成了对这个问题的证明。但是他们的证明有些缺陷，因为他们将天体是高度对称的完美球体设置为前提条件。

然而，宇宙中并不存在“完美天体”。那么，真正的天体可塌陷成黑洞吗？在奥本海默完成证明的25年后，数学家彭罗斯于1964年巧妙地利用拓扑学完成了最终的证明。虽然彭罗斯在大学时主修的是数学，但是他特别钟爱天文学，并极度喜欢研究天体物理学中的一些难题。彭罗斯科研兴趣广泛，他不但将数学应用于物理学研究，还研究了量子引力、复杂系统、人工智能等，并在这些领域都取得了杰出成就。

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那些最黑暗的天体。霍金曾说：“正是受到彭罗斯的启发，我去研究了因果性结构，萌生了对奇点和黑洞经典研究的灵感。”

银河系中心的超大黑洞

在曾经很长的一段时间里，不少科学家都不相信宇宙中有黑洞。但转机出现了，根策尔和盖兹在银河系中心发现了一个不折不扣的黑洞，而且这个黑洞还是个“超大号”的。

在这个黑洞被发现之前，一些科学家基于种种理论模型和数学计算，推测银河系中心有一个特别惊人的黑洞，它位于人马座A这个特别的天体系统中。人马座A距离地球2.5万光年，由人马座A东星（超新星遗迹）、人马座A西星（呈螺旋状结构）与人马座A*三部分构成。人马座A*正是根策尔和盖兹所发现的超大号黑洞。2022年5月12日，事件视界望远镜（EHT）合作组织正式发布了人马座A*的首张照片。

根策尔年轻时是德国最好的标枪运动员之一，甚至与德国国家队一起备战过1972年慕尼黑奥运会。然而，后来他将兴趣转向了天文学研究，最终因对未知天体的研究成果而站上了科学高峰。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的天体，才能产生巨大的引力以让那些气体云留在现有轨道上。

盖兹对人马座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所在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（甚大望远镜是欧洲南方天文台建造的位于智利帕瑞纳天文台的大型光学望远镜，由4台相同的口径为8.2米的望远镜组成），盖兹使用的是位于夏威夷的凯克望远镜。这两人各自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中心有一个超大质量黑洞。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？

2020年的诺贝尔物理学奖获奖成果与天文学相关。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。在这些秘密中，黑洞是一个大秘密，我们得依赖于现代科技手段才能揭开笼罩在它“身上”的一层层面纱。

比如说，我们一直对黑洞充满好奇和恐惧。有些人曾经认为，黑洞像一头永远吃不饱的巨型野兽，就如同神话传说中只吃不拉的貔貅。但现在，我们知道黑洞也可以“打嗝”，向外喷出物质。虽然人马座A*是一个超大质量黑洞，但是它所在的人马座A天体系统却是一个十分明亮的射电源，这是因为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。这就颠覆了我们对黑洞的传统认知。

又比如说，人们曾经以为只有质量很大的天体才会形成黑洞，后来科学家推算出一些超级小黑洞只有原子大小，那是在宇宙形成初期时的原初黑洞。它们曾经密布在宇宙中，存在的时间也非常短，今天已经看不到了。不过，这些小黑洞消失之后也会留下不少痕迹，给科学家探索宇宙起源和演化提供了宝贵的信息。

目前黑洞研究离我们的日常生活还很远，但是它对未来的太空研究领域或者发电等方面有很重要的用处！黑洞研究可为未来的太空研究领域打下坚实的基础。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一定需要科学家来绘制一份详尽的太空地图，以避开那些比地球上深渊还危险的黑洞区域。

一些科学家认为，黑洞中蕴藏着难以想象的物质和能量，总有一天人类可以将人造黑洞用作星际飞船的动力，也可以用它来提供日常所需的电力。美国科学家路易斯·克兰就认为，用人造黑洞来驱动飞船是可行的。克兰坚信，人造黑洞散发出来的“霍金辐射”将会成为星际飞船唯一的动力。

宋朝词人辛弃疾写道：“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处。”黑洞研究也是如此。科学家不断在浩瀚星空中寻觅颇具神秘感的黑洞，某一天却发现它可以出现在我们眼前。我们相信，定有那么一天，人类会在黑洞研究上取得豁然开朗的突破。 然而，这种能够塑造历史和开拓新天地的力量，却也伴随着巨大的危险。我们不希望有人把黑洞用来做武器，而是用来保护我们的星球和太阳系的安全。

获奖者简介

赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）：德国天体物理学家，1952年生于德国法兰克福，1974年获得波恩大学学士学位，1978年获得波恩大学博士学位，1981年任加利福尼亚大学副教授，现任慕尼黑马克斯·普朗克太空物理学研究所所长。

罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）：英国数学家，1931年生于英国科尔切斯特，1952年获得伦敦大学学院学士学位，1957年获得剑桥大学博士学位，1966年任伦敦大学应用数学教授，1972年被选为伦敦皇家学会会员，1973年至今任牛津大学数学教授。

安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）：美国天文学家，1965年生于美国纽约，1992年获得加州理工学院博士学位，现任加州大学洛杉矶分校教授。