年诺贝尔奖颁奖第二日，物理学奖获奖者揭晓。今年获奖的三位物理学家分别是：英国物理学家罗杰·彭罗斯（RogerPenrose）、德国天体物理学家赖因哈德·根策尔（ReinhardGenzel）和美国天文学家安德烈娅·盖兹（AndreaGhez），表彰他们黑洞方面的研究贡献。其中，彭罗斯获奖原因是发现黑洞形成是广义相对论的有力预言，他将获得万瑞典克朗奖金的一半。根泽尔和盖兹获奖原因是发现了银河系中心的超大质量致密天体，两人将分享另一半奖金。年诺贝尔物理学奖获得者（图片来自：?NobelMedia）罗杰·彭罗斯通过数学计算，巧妙地证明了阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）的广义相对论能够推演出黑洞的存在。黑洞能够捕获一切进入其中的物体，连光也无法从中逃脱。彭罗斯的开创性的文章目前仍被视为爱因斯坦之后对广义相对论的最重要贡献。莱因哈德·根泽尔（ReinhardGenzel）和安德烈娅·盖兹（AndreaGhez）从20世纪90年代初期开始，就各自领导着一组天文学家研究银河系中心一个名为射手座A*的区域。他们发现了一个非常重的、看不见的物体，它拉动混乱的恒星，使它们以令人目眩的极高速度运行。在这里，一个面积和太阳系相当的区域中就聚集了大约有万个太阳质量的物质。根泽尔和盖兹使用世界上 的望远镜，开发出了一系列方法，可以穿过星际气体和尘埃聚成的巨大云团，观测到银河系的中心。他们扩展了技术的极限，完善了新技术，以代偿地球大气层造成的扭曲；他们制造出独特的仪器，并专注于长期的研究。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，表明银河系中心存在一个超大质量黑洞。三位诺奖得主简介罗杰·彭罗斯，年出生于英国科尔切斯特，今年89岁。他毕业于伦敦大学学院，随后前往剑桥大学攻读博士学位。目前，他是英国数学物理学家，牛津大学数学学院教授。此外，他还是霍金的合作伙伴，但比霍金大了11岁。年，他与霍金一起被授予伦敦皇家天文学会艾丁顿奖；年，因为「彭罗斯–霍金奇点定理」共同获得了沃尔夫物理学奖；他还与霍金一起合著了一本书《时空的本质》，于年发表。第二位是ReinhardGenzel，莱因哈德·根泽尔，年生于德国巴特洪堡。他是德国天体物理学家，还是美国和德国天文和物理学会会员，美国物理学会会员，美国国家科学院外籍院士。他曾在弗莱堡大学攻读物理学，在波恩大学获得博士学位，并在马普所完成了射电天文学的博士论文。目前是加州大学伯克利分校教授。他和他的团队是 个在银河系追踪恒星运动的星团的人，并表明它们正在绕着非常大的物体运行，可能是黑洞。Genzel还专注于银河系的形成和演化研究中。年，他获得了爱因斯坦勋章，第二年，获得了邵逸夫奖；年，他获得了皇家天文学会颁发的赫歇尔奖章。 一位是AndreaGhez，安德里亚·盖兹，年生于美国纽约，今年诺贝尔物理学奖的 女性获得者，同时也是第四位获得诺贝尔物理学奖的女性。她是美国天文学家，加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授，在大学数学专业毕业后，她又前往麻省理工学院攻读物理学士学位，随后在加州理工学院攻读博士。年，盖兹当选为美国国家科学院院士。年，她获得了 天才奖。去年，Ghez当选为美国物理学会（APS）院士。彭罗斯：为什么黑洞必然存在年，彭罗斯为《科学美国人》撰写文章：《黑洞必然存在》，本文收录于《环球科学》黑洞专刊。在这篇半世纪之前的文章中，彭罗斯明确提出：对于某些天体来说，黑洞是它们命中注定的归宿。以下为钱磊翻译全文节选。在大约五十亿年内，太阳会通过热核反应消耗掉过多的氢元素，演化为一种叫做红 的恒星。恒星理论预言，太阳的直径将增大到现在（千米）的倍，并在此过程中吞没水星和金星，甚至还有可能吞没地球。到那时，太阳的物质密度只有空气的十分之一。（现在太阳的平均密度是地球密度的五分之一。）随着太阳消耗掉越来越多可用的核燃料（除了氢，还有氦和更重的元素），太阳的膨胀过程将反转，收缩到比当前还小，直径变为现在的百分之一，大约相当于地球的大小。之后，它将演化为白矮星，停止收缩。在这一阶段，原子中的电子会聚集得非常紧密，致使量子力学中的一个规律开始发挥作用，产生一种强到足以阻止太阳进一步收缩的等效压强。这个规律就是泡利不相容原理，该原理指出，没有两个电子可以占据同一个能量状态。此时，太阳的密度将变得非常大，一个填满太阳物质的乒乓球的质量就相当于好几头大象。接下来，太阳将一直冷却下去，直至抵达最终的死亡状态，成为一颗黑矮星。地球上任何物质的密度都远远小于白矮星。不过，天文学家在宇宙中观测到了很多白矮星（和红 ）。它们是太阳这类最普通的恒星演化历史的一部分。此外，恒星演化为白矮星的理论和观测结果非常一致。然而，并非所有恒星都遵循这个“正常的”演化路径。年，苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（SubrahmanyanChandrasekhar）在研究恒星结构时发现，白矮星存在一个 质量。超过这个质量，白矮星就无法抵抗进一步的引力收缩。指向恒星中心的引力甚至会压倒电子由于泡利不相容原理而产生的压力。这个 质量极限不比太阳质量大多少。钱德拉塞卡最初得到的极限大约是1.4倍太阳质量，后来的计算给出了更小的值。而我们观测到的许多恒星质量都要大于1.5倍太阳质量，它们的最终命运会是怎样的呢？假设有一颗质量是太阳两倍的恒星。和太阳类似，在消耗了大部分原有的氢燃料之后，它将膨胀得非常大，然后再次收缩。但它不会进入稳定的平衡态而成为一颗白矮星。这颗恒星，或者它的很大一部分将会坍缩得比白矮星更小。由于极端的温度和密度，它将经历一个导致其发生灾变性爆发的过程。天文学家已经在我们的星系（最近的一颗由开普勒在年记载）和其他星系中观测到了这类爆发恒星，并将其命名为超新星。一颗超新星的光度可以在数天内胜过整个星系。超新星爆发时可能抛掉了多达90%的物质，仅剩下恒星坍缩了的核心，藏在一团快速膨胀的气体云中心。（蟹状星云就是这样的气体云。）这个核太小，密度也太大了，不可能是白矮星，只能以一颗中子星的身份达到平衡状态。即使与白矮星比，中子星也是很微小的。白矮星对中子星，大小相差的悬殊程度甚至超过了太阳对白矮星的：1，可能也超过了红 对太阳的大约：1。中子星半径可能只有10千米，或者说只有白矮星半径的1/。虽然白矮星的密度已经大得异乎寻常了，但中子星的密度甚至比它还要大1亿倍。一个填满中子星物质的乒乓球，质量相当于婚神星（Juno，直径约千米）这样的小行星。中子星的密度与质子或中子相当；实际上，一颗中子星可以看作一个超大的原子核，两者只有一个本质上的差异：中子星是由引力而非核力束缚在一起的。中子星的大部分电子已经被压入质子，导致质子变成了中子。现在，作用于中子的泡利不相容原理提供了阻止中子星进一步收缩的等效压力。这套中子星理论是J·罗伯特·奥本海默（J.RobertOppenheimer）、罗伯特·瑟伯（RobertSerber）和C·M·沃尔科夫（C.M.Volkoff）在年和年建立的。之后的很多年，天文学家都质疑中子星是否真实存在。不过，自年起，观测方面的状况发生了巨大变化。在那一年，天文学家发现了 颗脉冲星。自那以后，脉冲星理论发展迅速。现在我们几乎可以肯定，脉冲星发出的射电和光学脉冲，其能量和极端的规律性都源于旋转的中子星。至少有两颗脉冲星位于超新星遗迹中，其中一个遗迹就是蟹状星云，这进一步支持了脉冲星实际上就是中子星的理论。和白矮星的情形类似，中子星也有一个 质量，在此之上它将无法阻止进一步的引力收缩。科学家对这个 质量极限的确切数值还不是十分肯定。奥本海默和沃尔科夫在年最初给出的值大约为0.7倍太阳质量。后来的研究者给出的质量极限要更大一些， 的达到了3倍太阳质量。那些较高的极限值考虑到，除了通常的中子和质子，还可能存在名为超子的大质量亚原子粒子。无论如何，正确的极限都不会超过数倍太阳质量。但是，宇宙中存在超过50倍太阳质量的恒星。它们的最终命运是什么？恒星会在最终塌缩或更早的某些阶段不可避免地抛出大量物质，使其质量总是小于稳定的白矮星或中子星所要求的极限吗？几乎完全不可能。那有没有可能存在什么其他形式的凝聚态物质，其密度甚至超过中子星内部所能达到的 值？光都无法逃离的引力陷阱理论告诉我们，尽管物质可以达到更高的密度，但获得更高密度的稳定平衡态是不可能的。引力效应会变得无法抗拒，从而支配一切。牛顿引力理论不足以处理这种问题，我们必须使用爱因斯坦的广义相对论。根据广义相对论，我们得到了一种非常奇异的天体，相比之下中子星看起来还算正常。这个最初由奥本海默和沃尔科夫提出的新天体获得了“黑洞”的称号。黑洞是一颗恒星（或一团恒星或其他天体）坍缩形成的空间区域，光、物质或任何形式的信号都无法从这里逃离。中子星还要收缩多少才能变成一个黑洞？以质量与太阳相当的天体为例，我们已经知道太阳的直径比中子星直径大7万倍，红 直径比中子星直径大0万倍。鉴于这些尺度上的巨大差异，中子星只收缩到自身直径的大约三分之一就会变成黑洞，这可能会令人吃惊。更大的黑洞也是可能存在的，但它们是最终总质量大于太阳的恒星或天体的塌缩产物，黑洞的直径与质量成正比。广义相对论在中子星理论中扮演了重要角色，实际上，它适用于任何场合，除非达到了黑洞那样的极端条件。物理学理论能很好地描述大小和密度相差悬殊的各色恒星。从这个角度看，似乎没什么理由怀疑物理理论可以稍微外推一些覆盖到黑洞。但这个观点并不是很合理。用来描述黑洞的那部分物理理论，即广义相对论在观测天文学中并不能说是不可替代的，我们必须严肃考虑广义相对论存在错误的可能性。针对广义相对论的观测和实验检验，成功的还不太多。尽管理论和观测之间没有矛盾，但这些观测仍然没有确定地证实广义相对论。其他引力理论仍有存在的空间。然而必须指出，广义相对论是一个出色的理论；几乎可以肯定，它是现有最令人满意的引力理论。此外，广义相对论最有力的竞争对手，布兰斯-迪克-若当标量-张量理论（Br-ans-Dicke-Jordanscalar-tensortheory）得到的黑洞图景和爱因斯坦理论的结果是相同的。即便是在牛顿理论中也能出现和黑洞类似的情形。早在年，皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯（PierreSimondeLaplace）根据牛顿力学预言，质量足够大、足够致密的天体应该是不可见的，因为其表面的逃逸速度将超过光速。所以，从这种天体表面发出的一个光子，或者说光的粒子将会落回表面，因而无法逃逸并被远处的观察者观测到。这个描述可能是值得商榷的，但它表明，即使在牛顿理论中，也需要面对这样的情况。不过，综合考虑，我打算将对黑洞的讨论完全限制在广义相对论范围内。首先，考虑一下当前黑洞的标准图景。黑洞可以用一个半径正比于黑洞质量的球面来表示。这个面称为“ 事件视界”，它的关键性质为，内部发出的信号不能逃逸，而从其外任何一点发出的信号都可能逃逸。球面的大小，即事件视界的半径等于两倍质量乘以引力常数再除以光速的平方（2mG/c2）。代入太阳质量进行计算可以得出，太阳要塌缩为直径约为千米的球才能成为黑洞， 事件视界就是这个千米的球的表面。产生黑洞的那个天体已经落入事件视界深处。事件视界内的引力场变得非常强，光无论向哪个方向发射，都会在引力拉扯下落向内部。在事件视界之外，光如果发射方向合适，还是可以逃出来的。发射点越接近事件视界，发出的信号的波前就越多地偏向黑洞中心。我们可以直观地把这个偏移想象成引力影响了光的运动。相比于向外的方向，光看起来更容易沿着朝向黑洞引力中心的方向运动。在事件视界内，向内的引力变得太强，向外运动变得完全不可能。而在事件视界上，光可以“原地踏步”， 徘徊在与黑洞中心的距离保持不变的地方。这样的行为不仅适用于光，也适用于任何信号或物体。在事件视界内，光速仍然是极限速度。狭义相对论仍然局域地成立，尽管在这个图景中并非显而易见。描述狭义相对论所用的局域参考系自身正快速地落向引力中心。对黑洞的时空描述，要比上面给出的纯空间描述更令人满意。时空描述减少了一个空间坐标，代之以一个时间坐标。它给出了全部时间内发生的事件的即时图像，这样不需要用很多连续的“快照”来描述不断变化的情况。假设普通时空中某一点发出了闪光，光会向周围所有方向传播。闪光的波前是球心位于发射点的球面，按照光速随时间推移不断变大。对这个闪光的纯空间描述将是一系列球，每个球比前一个大，标记了某个给定时刻闪光的球面波前。而对闪光的时空描述是一个圆锥，其顶点代表闪光发出的时间和位置，圆锥本身描述了闪光的历史。按照同样的方法，一颗恒星塌缩为黑洞的历史可以用时空表示的方法来更好地描述。在时空中的不同点上，光锥的位置显示了光信号是如何在引力场中传播的。在某些点上，光锥是倾斜的，但对于这个点上的观察者而言，是无法察觉到异常的。观察者会沿着一条路径，在光锥内部行进；他的速度永远不会超过光速——只有在光锥内部才能满足这个条件。截取时空图的一个水平剖面，我们就能得到相应物体行为的纯空间描述。
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