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“發現黑洞形成是廣義相對論的一個有力預測”和後兩者“發現我們星係中心的超大質量的致密天體”。
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。霍金是彭羅斯論文的重要合作夥伴，如果霍金活著，大概率也能拿諾獎。2015年人類首次探測到黑洞合並發出的引力波。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。
2019年人類公布首幅黑洞照片
2015年人類首次探測到黑洞合並發出的引力波
我們先看看今年的諾獎成果，然後再談一例彭羅斯和霍金合作的重要工作。
黑洞和銀河係的至暗秘密
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，在銀河係中心，有一個看不見的、極其重的物體，支配著恒星軌道。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，在那裏，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，銀河係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，就關注銀河係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係中心的最亮恒星的軌道。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恒星，使恒星以極快的速度運行。在一個不比太陽係大的區域裏，聚集的物質大約為400萬個太陽的質量。
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，看到銀河係的中心。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，證明銀河係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，為致密和超大質量物體的研究開辟出新天地。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。
圖注：黑洞的橫截麵視圖。當一顆大質量恒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，並且隻指向前方。時間的流動把一切都帶向黑洞內最遠的一個奇點，在那裏，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。
圖注：銀河係俯視示意圖。銀河係直徑約10萬光年，形狀像一個扁平圓盤，其旋臂由氣體、塵埃和幾千億顆恒星組成。我們的太陽就是其中之一。
圖注：離銀河係中心最近的恒星。這些恒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係大，但質量約為400萬個太陽質量。
彭羅斯和霍金在奇性定理方麵的合作
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後，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。
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，沒有壓力的理想恒星的坍縮過程。在這種完全理想的前提下，恒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）。那麽，黑洞中心會形成什麽呢？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）。
然而，奧本海默的模型太簡單了，現實中恒星多少都有旋轉，不可能完全不受幹擾保持完美球對稱。因此，任何非完美的恒星在坍縮的過程中，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，無論有什麽幹擾，在坍縮黑洞的中心會不可避免地形成奇點。
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。
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。
