关于黑洞的发现(1)
什么是黑洞
理论认为，黑洞是恒星演化的最后阶段，是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃逸的天体。但并非所有恒星都会变成黑洞，黑洞仅由非常巨大的恒星演变而成。当这些恒星的生命耗尽时，将以灾难性且不可阻挡的方式坍塌，同时形成一口“引力井”。爱因斯坦在1915年提出的广义相对论可以解释黑洞的原理。这些宇宙“怪兽”的引力大到什么都无法逃脱，无论是物质还是光—作为宇宙中速度最快的，如果光都无法从黑洞逃脱，那么其他东西更做不到。
彭罗斯的贡献：用数学方法证明黑洞
爱因斯坦提出的广义相对论颠覆了传统的空间和时间概念。他的方程式预言了黑洞的存在：大质量的天体会使空间弯曲、时间减慢，一个超大质量的天体甚至能吞噬光线，从而形成一片“绝对黑暗”的空间，这就是黑洞。值得一提的是，爱因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。
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在爱因斯坦去世10年后，彭罗斯用巧妙的数学方法论证了黑洞可以形成，并对其进行了详细描述：在黑洞的核心隐藏着一个奇点，它的时空曲率无穷大，密度也趋于无限大。一旦物质开始坍缩，就没有什么能阻止坍缩的继续，所有物质只能沿一个方向走向奇点。这是一条通往时间尽头的“单行道”。 用几何的语言来说，这是几何上的奇点。而在普通人看来，这是毁灭之点，因为越是靠近这个点，引力产生的拉扯力越大，最终归于毁灭。从物理学的角度来看，在这个点上，所有的物理学定律不再适用。
彭罗斯这篇开创性的论文发表于1965年1月，首次将整体微分几何引入广义相对论的研究之中，开启了后来几十年利用整体微分几何研究广义相对论的潮流，并且催生了一系列重要结果，至今仍被认为是自爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献。现在，黑洞的中心存在奇点已成为科学界的普遍认识。彭罗斯的工作不仅在结果上有重要意义，在方法上也影响深远。
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根泽尔和格兹的贡献：天文观测发现黑洞
1918年，美国天文学家哈洛·沙普利首先确定了银河系的中心，即射手座(又称人马座)方向。在后来的观察中，天文学家在那里发现了一个强大的电磁波源，并将那里标记为射手座 A*。人们发现，射手座 A* 占据了银河系的中心，并且银河系轨道上的所有恒星都围绕着它。自20世纪90年代初以来，根泽尔和格兹各自领导着一组天文学家，他们一直专注于银河系中心射手座A*的区域。近30年来，根泽尔和格兹在遥远的银河系中心恒星混杂的环境中观测恒星。根泽尔和格兹使用世界上最大的望远镜，开发出新的方法来观察星际气体和尘埃的巨大云层，直至银河系的中心。他们不断开发和完善技术，配备了更加灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学器件，使图像分辨率提高了千倍以上。他们能够更精确地确定恒星的位置，追踪观测区域内众多恒星中30颗最亮恒星的运动轨迹。两个研究团队在数十年如一日的观测后得出一致结论：银河系中心存在一个质量非常大且看不见的天体，它的拉动造成恒星的混乱，使它们以眩晕的速度奔波。对这个看不见的天体，目前唯一合理的解释就是它是一个黑洞。
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诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德在颁奖仪式上表示，今年获奖者们的发现为研究致密和超大质量天体开辟了新天地。但对这些奇特的物体仍然提出了许多有待进一步解答的问题，并激发未来的研究。他说：“不仅有关于它们内部结构的问题，还有关于如何在紧邻黑洞的极端条件下测试我们的引力理论的问题。”
彭罗斯与霍金一起证明了奇点定理
奇点的存在一直是物理学中的一个难题。1969年，彭罗斯提出了著名的宇宙监督原理，该原理保证任何时空奇点都会被视界包围起来。直到今天，这个猜测还是引力理论中的一个难题。1965—1970年，彭罗斯与霍金在一系列工作中一起证明了奇点定理。简单来说，对于任何黑洞，只要物质的能动张量满足某些不太苛刻的条件，那么黑洞内部将一定存在奇点。彭罗斯的工作证明了奇点不仅在数学上是广义相对论的一个解，而且在物理上也是可能由一般的物理条件演化而得到的。大家一定注意到了这项工作是彭罗斯与霍金一起做的。具体来说，奇点的解不仅在黑洞中存在，在宇宙学中也存在(宇宙大爆炸就是从一个奇点开始的)。彭罗斯的工作主要在黑洞方面，霍金的工作则在宇宙学方面。因此，就今年的颁奖词“发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测”而言，彭罗斯获奖是恰如其分的。
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趣味数说诺贝尔物理學奖
诺贝尔物理学奖已经颁发100多次。宏观至宇宙探索，微观至原子结构，都是物理学奖得主们的研究领域。回顾过去颁发的这个奖项，能发现不少有趣的数字。
114次：自1901年首次颁奖至2020年，诺贝尔物理学奖已颁发114次。因战争等原因，有6个年份未颁奖，分别为1916年、1931年、1934年、1940年、1941年和1942年。首名获奖者是发现X射线的物理学家伦琴，其他获奖者还包括爱因斯坦、居里夫人(玛丽·居里)、玻尔等。
1对夫妻：在物理学奖历史上，曾有一对夫妻同时获奖，即人们所熟知的居里夫妇。玛丽·居里和丈夫皮埃尔·居里因对放射性现象的研究获得1903年诺贝尔物理学奖。有意思的是，居里夫妇的女儿伊雷娜·约里奥—居里与丈夫弗雷德里克·约里奥—居里同获1935年诺贝尔化学奖。
2次获奖：截至2020年，共有216人次获得诺贝尔物理学奖桂冠，其中约翰·巴丁在1956年和1972年两次摘走物理学奖，因此实际获奖人数为215人。玛丽·居里也曾两次获诺贝尔奖，但奖项不同，1903年获物理学奖，1911年获化学奖。
4名女性：历史上仅有4名女性获得诺贝尔物理学奖，除玛丽·居里外，另外三人分别是1963年因原子核研究获奖的玛丽亚·格佩特，2018年因在激光物理学领域做出突破性贡献而获奖的唐娜·斯特里克兰，以及刚刚揭晓的因发现黑洞而获得2020年诺贝尔物理学奖的美国科学家安德里亚·格兹。, 百拇医药(龙学锋)