三名科学家分享2020年诺贝尔物理学奖。新华社发
瑞典皇家科学院6日宣布，将2020年诺贝尔物理学奖授予三名科学家。英国科学家罗杰·彭罗斯因证明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果而获奖；德国科学家赖因哈德·根策尔和美国科学家安德烈娅·盖兹因在银河系中央发现超大质量天体而获奖。
黑洞堪称宇宙中最神秘的天体，这三位科学家如何增进了人类对黑洞的认识？记者采访了上海科学家和科普作家。
人类无法直接观测黑洞
著名天文科普作家卞毓麟介绍，黑洞是科学家根据广义相对论做出的一个重要推测，1969年由美国物理学家约翰·惠勒命名。之所以称其为“黑洞”，是因为无法用光或其他形式的电磁波观测它，任何发射到黑洞的光都会被吸收，而不会反射回来。
这是什么原因呢？不妨从地球引力讲起。当一个物体的飞行速度达到11.2公里/秒，就可以摆脱地球引力的束缚进入行星际空间。这个脱离地球引力场的最小速度称为“逃逸速度”。
黑洞的逃逸速度是多少呢？答案是：大于光速。宇宙中光速最快，这意味着，包括光在内的任何物质和辐射只要进入黑洞的“视界”（引力场的一个封闭边界），都无法逃脱它的“魔爪”。因此，黑洞“黑”到了极致，人类无法直接观测。然而，黑洞的存在有其蛛丝马迹。一种迹象是附近星球的运行轨迹异常。因为黑洞的引力惊人，在其“视界”外附近的星球，势必受到明显影响。第二种迹象是强烈的X射线源。宇宙中遍布气体、尘埃等星际物质，它们在即将进入黑洞“视界”时，会发出强烈的X射线。
89岁彭罗斯更像数学家
“写《时间简史》的霍金和彭罗斯是同一领域的哥们儿，霍金对黑洞的研究成就不亚于彭罗斯。”在华东师范大学物理与电子科学学院院长、英国物理学会会士程亚教授看来，假如2018年去世的霍金，等到了2019年公布的人类首张黑洞照片，那么今年就很可能与彭罗斯分享诺奖。
程亚告诉记者，2017年，观测到引力波的科学家获诺贝尔物理学奖，2019年诺贝尔物理学奖也花落天文领域，科学界预测今年诺奖不会再给天文学家。因为，连年为同一领域颁奖，在其他学科的诺奖中是非常少见的。然而，一些足够震撼的事件会打破“风水轮流转”的颁奖规律。今年诺奖的“决定性证据”，正是去年各国科学家通过相当于地球口径的超级射电望远镜，以“昆虫万千复眼”的方式合成出遥远黑洞的可见照片，让人类第一次“看见”黑洞。这也让89岁高龄的彭罗斯等到了自己的理论研究成果得到验证的那一天。
程亚说，彭罗斯更像是一位数学家。20世纪60年代，彭罗斯在宏观理论基础上，充满逻辑而又精准地解出了一个与黑洞关联的物理世界，如诺贝尔颁奖词所言，“发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测”。
破解难题计算出黑洞质量
澳门赌场上海天文台副台长袁峰研究员是黑洞天体物理学家，参与了人类首张黑洞照片的捕获工作。袁峰告诉记者，十多年前，德国人根策尔和美国人盖兹领导各自团队，利用自适应光学技术，分别观测到了银河系中心的超大质量黑洞，并计算出了它的质量——约为太阳质量的400万倍。这是人类历史上第一次获得星系中心存在超大质量黑洞的确切证据，堪称黑洞研究的一个里程碑。
由于黑洞无法被直接观测，科学家要用各种间接观测方法。根策尔和盖兹采用的间接观测方法都是通过大口径光学望远镜，观测银河系中心区域恒星的运行轨迹。如果它们在黑洞“视界”外附近，其运行轨迹就会受到明显影响。
这种观测方法的最大难点，是地球的大气层始终有不稳定的运动，宇宙远处的光线传到地球上时，形成的光学图像会因为大气层的干扰而变得模糊，这被称为“湍流效应”。为此，根策尔和盖兹都利用自适应光学技术，成功消除了这种效应，从而观测到银河系中心区域恒星的精准轨迹。获得轨迹数据后，他们就根据开普勒定律计算出了银心黑洞的质量。随着这个质量相当于400万个太阳的“巨无霸”现身，人类对黑洞乃至整个宇宙的探索又迈出了重要一步。
