诺贝尔物理学奖变天文学奖？三学者研究黑洞获奖，天体物理学10年5次折桂，华人科学家戴宏杰遗憾陪跑
记者丨卢伊 李鹏亮 编辑丨段文继3名英美科学家因发现丙肝病毒拿下2020年诺贝尔医学奖，北京时间10月6日下午，诺奖开出第二份获奖名单。
3名分别来自德英美国的科学家，从300余名候选人中脱颖而出，凭借揭示“黑洞和银河系最黑暗的秘密”，斩获2020年诺贝尔物理学奖。
不过，此次诺奖可谓双黄蛋，一半授予英国数学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose），获奖原因为“发现广义相对论预测了黑洞的形成”，另一半则授予莱茵哈特·甘泽尔（Reinhard Genzel）和安德里亚·盖兹（Andrea Ghez），获奖原因为“发现银河系中心的超大致密物体”。他们将共享1000万瑞典克朗（约合人民币763万元）的奖金。
安德里亚·盖兹也成为诺贝尔物理学奖历史上第4名女性得主，包括今年三位最新得主在内，诺贝尔物理学奖一共有216名获奖者，但仅有4位女科学家。
另外值得注意的是，此前备受瞩目的华人科学家戴宏杰遗憾陪跑，无缘成为诺贝尔物理学奖历史上第7位华人得主。
诺奖获得者
理论预测：与霍金共同证明黑洞存在
此次诺贝尔物理学奖颁给黑洞研究者，可谓爆出大冷门。
此前，曾有物理学者预测，考虑到诺贝尔物理学奖规律较为明显，历年获奖者几乎都在天体物理、粒子物理、原子分子与光物理和凝聚态物理学等四大领域中轮流登场，从概率上看，缺席3-4年的粒子物理和凝聚态物理学的中奖率更高。
但作为最难预测的奖项之一，今年诺贝尔评审委员会通过约3000名高校教授的推荐，并对250-350个提名者重重筛选，还是将大奖颁给天体物理领域。
由此，过去10年里，天体物理学已5次斩获诺奖，几乎每隔一年就会获奖一次，这一结果令人倍感意外，甚至被认为是“史无前例”的。
有物理学者认为，考虑到去年刚刚公布第一张黑洞照片，今年诺奖颁给“黑洞”也在情理之中。
“黑洞有时也挑战了天体物理学的认知边界，作为人类，我们对其仍有很多未知。”正如新晋诺奖得主盖兹所说，黑洞始终是最为神秘也最难以理解的科学概念和研究领域之一。
事实上，远在正式提出“黑洞”这一科学术语前，200多年前的人们就曾设想宇宙中存在一种质量巨大、引力强到连光也无法逃脱的天体。
此后，黑洞引发人们无数暇想，并为大量科幻作品提供灵感，但这一概念始终令人难以理解，甚至于一度无人知晓其样貌如何。
而三位获奖者，则分别从理论和操作层面证明和观测了超大质量黑洞的存在。诺贝尔委员会评价称，三人发现了黑洞这一宇宙中最奇特的现象之一，揭开“黑洞和银河系最黑暗的秘密”。
诺奖直播
其中，现任牛津大学数学研究所数学物理研究组名誉教授的罗杰·彭罗斯从理论研究的角度，研究出了相对论与黑洞的关系，确定了宇宙中心有超大质量黑洞的存在。
严格来说，彭罗斯是个数学家，此次获奖研究也是建立在数学基础上的。
1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，为所有宇宙研究提供了基础，该理论也融入了我们的生活。我们日常导航的GPS 的精确性就有赖于广义相对论的计算。
但广义相对论中出现了一个奇怪的物体——黑洞。黑洞质量极大，体积极小。和太阳质量相当的黑洞直径仅有三公里，和地球质量相当的黑洞，直径仅有9毫米，和人的一个指头一样大。连创立广义相对论的爱因斯坦本人都不太相信黑洞这么奇怪的天体在现实中存在。
为了证明黑洞形成是一个稳定的过程，彭罗斯扩展了用于研究相对论的方法，用新的数学概念为黑洞的存在提供了证明。直到爱因斯坦去世十年后的1965年，彭罗斯与物理学家史蒂芬·霍金才终于发表论文证明了在广义相对论下，黑洞可以形成并成功描述了黑洞的性质。这个时间和空间中的怪物可以从巨大形体的坍缩中形成，它吞噬一切进去其中的物质，并且黑洞是时空中捕获所有进入黑洞的物质的怪物。任何物质甚至光线都不能逃脱。在黑洞中间隐藏着一个奇点，在那里，所有已知的自然法则都会失效。
彭罗斯指出，黑洞是广义相对论的直接结果，但在引力无限大的奇点，广义相对论理论不再适用。目前理论物理学领域正在进行大量工作，努力创建新的量子引力理论。物理学的两个支柱——相对论和量子力学在黑洞内部相遇，科学家们需要把它们结合在一起。
对黑洞的研究必将把人类对宇宙的理解带上新的维度。
观测验证：恒星绕黑洞旋转，开出玫瑰花结团
平分另一半诺奖的两位科学家，莱茵哈特·甘泽尔和安德里亚·盖兹则可谓开创了黑洞观测的先河。
过去50多年来，科学家一直认为包括银河系在内的多数大型星系中心可能存在大量黑洞，但一直以来，都没有直接的观测结果作为验证。
直到1990年代，任德国马克斯·普朗克地外物理学研究所所长的甘泽尔和来自美国加州大学洛杉矶分校的教授盖兹，分别领导各自的研究团队，试图穿越星际尘云，看向银河系中心。
望远镜越大，才能看得越远越好。对此，甘泽尔利用位于智利的欧洲南方天文台甚大望远镜VLT，它拥有4台巨型望远镜及单个镜片，直径就超过8米。在美国，盖兹则利用位于夏威夷的凯克天文台，其镜片直径则超过10米，像一个马蜂窝。
凯克天文台内部（图源凯克天文台）
两组研究殊途同归，他们都专注于观测银河系中心一个名为“人马座A*”的区域，它距离我们约26000光年，其中存在一个超大质量黑洞，相当于在与一个太阳系大小的区域内，塞进约400万个太阳的质量。
更令人惊奇的是，在这个超大质量黑洞附近，科学家还观测到一颗每隔16年就会环绕黑洞运行一次的恒星S2，且它每次距黑洞最近的点都会偏移，仿佛要在宇宙中划出巨大的玫瑰花结，而不是一个简单循环的圆圈，这在历史上还是首次。
恒星围绕超大质量黑洞的运动轨迹呈现玫瑰花结图案，与爱因斯坦广义相对论的预测几乎一致（图源ESO）
主持该项研究的甘泽尔曾表示，根据爱因斯坦广义相对论，一个天体若围绕另一个天体运行，其轨道并非封闭的，而是会在其运行平面上“进动”，就像“开花”一样。而其观测到恒星公转轨迹，刚好符合广义相对论的预测，也是该理论正确性的又一力证。
此后30余年里，两组团队不断优化技术完成观测，其结果仍保持了较高的一致性。诺贝尔委员会评价认为，“这一开创性工作，为揭示银河系中心存在一个超大质量黑洞，提供了迄今最令人信服的证据。”
这也或许是最为优美的诺贝尔物理学奖成果。
值得一提的是，盖兹与居里夫人等科学家一道，成为该领域第4位斩获诺奖的女性研究者。
“我非常重视作为女性科学家的责任。”发布会上，盖兹希望此举也能鼓舞其他女性科学家投入科研工作。
《凤凰周刊》记者曾于数年前到过盖兹观测黑洞的凯克天文台参观，它位于夏威夷莫纳克亚山顶峰，海拔超过4000米，一些体质欠佳者抵达天文台时，会出现高原反应。该天文台拥有两座世界上口径第二大的光学/近红外望远镜，天文台内温度较低，可看到多位头戴安全帽，身着工作服的研究人员穿梭，从天文台向下俯瞰，还能看到多座观测设备遍布山坡。
夏威夷凯克天文台（记者卢伊摄）
最深奥的奖项但得主往往是名人，几乎每20年就有华人获奖
尽管对公众而言，诺贝尔物理学奖动辄与宇宙、量子、粒子等相联系，似乎注定与学术、高大上、难理解划等号。总之，“不明觉厉”就对了。
但这一奖项却诞生了无数大家耳熟能详的名人获奖者，堪称一部物理教科书。
从发现X射线的威廉·伦琴、开创了放射性理论的居里夫人，到推动量子物理发展的普朗克、提出光电效应和相对论的爱因斯坦，以及被戏称为“虐猫达人”的薛定谔，再到研究核反应的费米，和影响了粒子物理学发展的费曼，也许我们未必了解其生平经历和科学贡献，但他们的名字，绝对是耳熟能详的。
而其成果，不仅推动了科学的快速发展，也或多或少改变着我们的日常生活。
更值得关注的是，诺贝尔物理学奖也拥有最多的华人获奖者。
据统计，自1901年首次颁发诺贝尔奖以来，已有12位华人获此殊荣，其中一半均来自物理学奖，可谓是华人学者“中奖率”最高的奖项。
早在1957年，生于中国、赴美研究的杨振宁和李政道，就凭借“宇称不守恒定律”的重大发现，成为有史以来首两位获得诺奖的华人科学家。当时，年仅31岁的李政道更成为诺奖史上最年轻的获奖者，这一纪录，直至2014年才被打破。
此后，几乎每20年，就会有一名华人科学家斩获此奖。
先是1976年，美籍华裔科学家丁肇中与美国物理学家伯顿·里克特，因发现一种新的基本粒子，共获物理学奖。当年的颁奖典礼上，他也成为第一个用中文发言的获奖者。
丁肇中（左）
接着1997年开始，连续两年间，美籍华裔学者朱棣文和崔琦，分别因“发展了激光冷却和捕获原子的方法”和“发现一种带有分数带电激发的新量子流体形式”，先后与其他几名外籍物理学家一起，分享诺奖。
值得一提的是，朱棣文还曾在2009年就任美国能源部长，成为继赵小兰后，第二位出任美国内阁首长的华人。
到2008年，被誉为“光纤之父”的英国华裔科学家高锟，也凭借在光学通信领域的突破性成就，成为当年诺贝尔物理学奖在该领域的唯一获奖者。2018年9月，他在香港逝世，享年84岁。
不过，高锟之后，诺贝尔物理学奖已有22年未见华人获奖者了。而跳出学界，这些学者本人和研究领域的知名度，也并未因斩获诺奖而有所提升。
直至今年，呼声很高的美籍华人学者、美国科学院院士戴宏杰，一度被视为此次诺奖的有力竞争者。
这位生于湖南邵阳、考入清华的华人学者，曾师承诺贝尔化学奖得主理查德·斯莫利。此后，他不仅成功研制出可充放电的铝离子电池，更是碳纳米管领域的领军人物，曾被《科学观察》杂志评选为世界前100位化学家之一。
就在诺奖公布前两周，戴宏杰和另一名美国物理学家刚因“碳和氮化硼纳米管的制造和新奇应用”，获得2020年科睿唯安“引文桂冠奖”，后者也一度有“诺奖风向标”之称。至2016年，获得此奖的278人中，43人终成诺奖得主。
不过，戴宏杰今年还是遗憾“陪跑”了，或许将在未来某个时候成为万众瞩目的第7人。
*本文由#树木计划#作者观象台创作，在今日头条独家发布，未经授权，不得转载。
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