霍金的棺材板壓不住了！為什麼說他早應該分享昨天公布的諾貝爾獎？

2016年人類首次探測到黑洞合併發出的引力波。2019年人類首次拍攝到遙遠黑洞的照片，這一切也加速了物理諾獎授予黑洞研究的步伐。

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視頻：2020年諾貝爾物理學獎頒布 100秒介紹三名獲獎科學家，時長約1分40秒

騰訊科技 文/ 喬輝 羽佳

10月6日，2020年諾貝爾物理學獎授予羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)、賴因哈德·根策爾(Reinhard Genzel)和愛德莉亞·蓋茲(Andrea Ghez)，以表彰前者「發現黑洞的形成是廣義相對論的堅實預言「發現我們星系中心超大質量緻密天體」（其實就是指銀河系中心那顆質量是太陽400萬倍的超大質量黑洞）。

我們注意到，這是諾貝爾物理獎首次直接授予黑洞的理論和觀測工作。此前，2017年諾貝爾物理獎授予的是人類首次直接觀測到引力波，而非直接授予黑洞的研究。2015年人類首次探測到黑洞合併發出的引力波。2019年人類首次拍攝到遙遠黑洞的照片，這一切也加速了物理諾獎授予黑洞研究的步伐。

圖註：2019年人類公布首幅黑洞照片。

如果霍金在世，能和彭羅斯共獲諾獎嗎？

我們還注意到，表彰彭羅斯的頒獎詞是：「for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity」，直接翻譯是「發現黑洞的形成是廣義相對論的堅實預言」，但熟悉廣義相對論的人一看就知道獲獎理由就是彭羅斯對黑洞奇性定理的原創性研究。

圖註：霍金和彭羅斯。

今年的諾獎結果，不得不讓人聯想到已故物理學家霍金，因為有以彭羅斯和霍金共同命名的「彭羅斯-霍金奇點定理（Penrose–Hawking singularity theorems）」。

這裡要說明一下，最開始，黑洞的奇性定理完全是由彭羅斯在1965年提出的，後來霍金把黑洞的奇性定理推廣到宇宙學當中，提出了宇宙大爆炸源於時空的奇點。1970年，霍金和彭羅斯一起得到了更一般性的奇性定理，就是「彭羅斯-霍金奇點定理「。

因此，彭羅斯對奇性定理確實是原創性的。當然，霍金和彭羅斯合作得到了更一般性的奇性定理，如果他在世，也應該共同獲得諾貝爾獎。

圖註：2015年人類首次探測到黑洞合併發出的引力波。

霍金在黑洞方面還有更重要的理論工作，那就是黑洞的霍金輻射和黑洞的面積定理。霍金輻射很難通過實驗或觀測實驗驗證。黑洞的面積定理可以說已經被觀測驗證，那就是LIGO/Virgo探測到了一次次黑洞合併產生的引力波，每次合併生成的大黑洞的視界面積都大於合併之前的兩顆子黑洞的視界面積之和。

因此，霍金在黑洞理論方面有多方面的貢獻，從這個角度看，如果霍金健在，給霍金諾獎也是水到渠成的事情。

有關奇性定理和霍金輻射的細節，我們放在後面段落中詳解。

黑洞和銀河系的至暗秘密

上述三位科學家，對宇宙中最奇異的現象之一，即黑洞，有了新的發現，因此獲得今年的獎項。羅傑·彭羅斯的研究表明，廣義相對論預測了黑洞的形成。賴因哈德·根策爾和愛德莉亞·蓋茲發現，在銀河系中心，有一個看不見的、極其重的物體，支配著恆星軌道。而目前，對該物體唯一已知的解釋就是超大質量黑洞。

羅傑·彭羅斯使用巧妙的數學方法，證明阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論對應著黑洞。黑洞能捕獲附近的所有東西，甚至光也無法逃脫，而愛因斯坦自己並不相信黑洞真的存在。

1965年1月，也就是愛因斯坦去世十年後，羅傑·彭羅斯證明了黑洞確實可以形成，並對黑洞進行了詳細描述。在黑洞的核心，隱藏著一個奇點，在那裡，一切已知的自然法則都會停止。人們認為，彭羅斯的開創性論文，是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻。

觀測表明，銀河系中心存在一顆巨大黑洞

賴因哈德·根策爾和愛德莉亞·蓋茲，兩者各自領導著一組天文學家，從20世紀90年代初開始，就關注銀河系中心一處名為人馬座A*的區域。他們越來越精確得繪製出最靠近銀河系中心的最亮恆星的軌道。這兩組研究團隊的測量結果一致，都發現了一個非常重的、看不見的物體在吸引著一團恆星，使恆星以極快的速度運行。在一個不比太陽系大的區域里，聚集的物質大約為400萬個太陽的質量。

銀河系中心恆星圍繞「中心物體」運動的情況！由於中心天體的質量極大，體積又極小，由此推斷這個物體必須是黑洞。

根策爾和蓋茲開發出新方法，利用世界上最大的望遠鏡，透過星際氣體和塵埃組成的巨大雲團，看到銀河系的中心。他們改進了新技術，拓展了技術的極限，以解決地球大氣造成的影響。他們還設計獨特儀器，並致力於長期研究。他們的工作具有開創性，證明銀河系中心存在一個超大質量黑洞，這是迄今為止最令人信服的證據。

「今年獲獎者的發現，為緻密和超大質量物體的研究開闢出新天地。但關於這些奇異的物體，仍有許多問題等待解答，而這些問題則能激發未來研究的積極性。這些問題既涉及其內部結構，還涉及如何在黑洞附近的極端條件下檢驗我們的引力理論，」諾貝爾物理學獎委員會主席大衛·哈維蘭(David Haviland)說道。

圖註：黑洞的橫截面視圖。當一顆大質量恆星在自己的引力下坍縮時，會形成一個黑洞，這個黑洞非常重，以至於能捕獲經過其事件視界的所有東西，甚至連光都無法逃脫。在視界上，時間取代空間，並且只指向前方。時間的流動把一切都帶向黑洞內最遠的一個奇點，在那裡，密度無限，時間終結。光錐顯示了光線在時間上的前後路徑。當物質坍縮形成黑洞時，穿過黑洞視界的光錐會向內轉向，朝向奇點。外部觀察者永遠不會看到光線到達視界。

圖註：銀河系俯視示意圖。銀河系直徑約10萬光年，形狀像一個扁平圓盤，其旋臂由氣體、塵埃和幾千億顆恆星組成。我們的太陽就是其中之一。

圖註：離銀河系中心最近的恆星。這些恆星的軌道是目前為止最令人信服的證據，能證明在人馬座A*中隱藏著一個超大質量黑洞。據估計，該黑洞區域不比太陽系大，但質量約為400萬個太陽質量。

彭羅斯和霍金在奇性定理方面的合作

1970年，霍金和彭羅斯證明，我們的宇宙在大爆炸的開端有一個時空奇點。

1916年，在愛因斯坦廣義相對論剛剛提出后，德國數學家、天文學家史瓦西（K.Schwarzschild）就得到了愛因斯坦場方程的第一個嚴格解，即史瓦西外部解或史瓦西度規，也就是數學意義上的黑洞。然而，現實中是否存在黑洞呢？當時科學界是存在很大爭議的。

圖註：天體物理學家史瓦西

1939年，美國「原子彈之父」奧本海默（J.Robert Oppenheimer）及其合作者研究了完全球對稱、密度均勻，沒有旋轉，沒有壓力的理想恆星的坍縮過程。在這種完全理想的前提下，恆星的質量大到一定程度，黑洞的形成是不可避免的，從而形成與外界宇宙隔離的視界（Horizon）。那麼，黑洞中心會形成什麼呢？奧本海默並沒有給出任何解釋。但他的方程卻暗示著，在黑洞的中心會形成體積無限小、密度無限大的奇點（Singularity）。

圖註：美國原子彈之父奧本海默

然而，奧本海默的模型太簡單了，現實中恆星多少都有旋轉，不可能完全不受干擾保持完美球對稱。因此，任何非完美的恆星在坍縮的過程中，存在發生反彈的可能性，不會在中心形成奇點。關於這一點，前蘇聯物理學家栗弗席茲（Lifshitz）曾給出過證明。

1964年，英國數學物理學家彭羅斯（Roger Penrose）利用拓撲學的方法證明，無論有什麼干擾，在坍縮黑洞的中心會不可避免地形成奇點。

如果愛因斯坦的廣義相對論正確，黑洞中心就不可避免地形成一個奇點。

1970年，霍金和彭羅斯證明了，在廣義相對論的框架下，我們的宇宙在大爆炸的開端也有一個時空奇點，如果有一天再發生坍縮，必然在大擠壓中再次形成奇點。這就是著名的奇性定理（singularity theorems）。

三位獲獎者簡介

羅傑·彭羅斯，1931年出生於英國科爾切斯特。1957年畢業於英國劍橋大學。現為英國牛津大學教授。

賴因哈德·根策爾，1952年生於德國的巴特洪堡。1978年在德國波恩大學獲博士學位。現為馬克斯·普朗克外層物理研究所主任，兼任美國加州大學伯克利分校教授。

安德莉亞·蓋茲，1965年出生於美國紐約。1992年在美國加州理工學院獲博士學位。現為美國加州大學洛杉磯分校教授。

獎金總額

獎金總額為1000萬瑞典克朗（約合760萬人民幣），其中一半獎給羅傑·彭羅斯，另一半獎給賴因哈德·根策爾和安德莉亞·蓋茲。

談談霍金另一項諾獎級的貢獻：霍金輻射

上面我們提到，奇性定理是彭羅斯和霍金共同完善的，最早源於彭羅斯的工作，今年諾獎因這項工作頒發給彭羅斯，也是實至名歸！其實，霍金更加獨創性的工作要數「霍金輻射」了

在大家心目中，黑洞是那種只吃不吐的引力怪物。沒有任何東西能夠逃脫黑洞的束縛，包括光線。上面的認識都是基於經典的廣義相對論，當考慮到量子場論效應時，頭腦中的觀念就要發生改變了。

圖註：霍金輻射示意圖。

真空並不是完全的空，而是充滿了起伏不定的量子漲落，各種正、反虛粒子對不斷產生和湮滅。黑洞視界附近是一個危險的區域，通常那裡潮汐力很強，會把「虛粒子對」拉開一定距離，當「虛粒子對」得到足夠多的能量時，就會轉化為真實存在的實粒子，當處於視界外的粒子飛走時，就帶走了黑洞的能量，也是帶走了黑洞的質量。這樣，黑洞質量就會逐漸變小，該過程又稱為「黑洞蒸發」。

另一個等價的圖景：一個虛粒子帶正能量、一個帶負能量，負能量的粒子更容易被黑洞吞噬，留下正能量的粒子逃離黑洞，從而帶走能量和質量，黑洞因吞噬了負能量粒子而損失了能量和質量。這也是霍金在《時間簡史》中描繪的圖景。

根據霍金輻射的計算公式，黑洞的溫度與質量成反比，通常黑洞的溫度都是非常低的。太陽質量的黑洞，溫度只有60納開，這樣的黑洞從宇宙背景輻射吸收的能量要大於因輻射損失的能量，因此永遠不會蒸發掉。

理論上，月球質量的黑洞，其溫度和宇宙背景輻射的溫度相當，恰好能做到收支平衡。因此，可以想象，小質量的黑洞溫度會更高。如果粒子對撞機能產生黑洞的話，那麼會因霍金輻射而瞬間蒸發掉的，因此無需擔心那樣小的黑洞吞噬地球。

有理論推測，在宇宙大爆炸初期，會形成小質量的原初黑洞（Primordial black holes），這些小黑洞溫度很高，壽命相對較短，會釋放出高能伽馬射線。如果能探測到這種伽馬射線，就能驗證霍金輻射的存在。然而，到目前為止，還沒有得到令人信服的觀測證據。