黑洞這個概念，對大眾都不陌生了。它是一個超高引力場的存在。黑洞周圍的引力場如此強大，任何物質包括光都會被捕獲而有去無回。而在廣義相對論理論里，黑洞是一個帶有發散點的特殊解，標誌着時空結構的高度扭曲。黑洞的存在很容易想象，但性質卻很深奧。所以它成為很多科幻小說里的神器。

但是在物理上提出一個新形態，卻要面對兩個問題。一個是它在理論上是否可能？第二個是它在現實世界中是否真的存在？２０２０年物理諾貝爾獎，就是發給了回答這兩個問題的科學家。

在理論上，黑洞是比較容易理解的。即使在牛頓物理中，也很容易想象一個超重的星體，周圍物體即使以光速運動也逃不出它的引力。（當然在經典物理中允許超光速運動的物體，它們還是能逃逸這樣的引力場的）。廣義相對論提出不久，德國物理學家施瓦西（Schwarzschild）就發現了它的一個獨特的解，在中心和某個半徑的地方會發散。三十年代，美國物理學家歐本海默（Oppenheimer，後來主持了發展原子彈的曼哈頓計劃）和學生指出，在那個有發散的半徑內，任何信息（除了引力）都不能逃逸出去。這就是黑洞的概念了。那個半徑也被稱為視界（event horizon）或施瓦西半徑。所以要形成黑洞，就需要它的質量分布在施瓦西半徑以內，也就是要有足夠高的密度。而施瓦西半徑是與質量成正比的。所以任何質量都能形成黑洞，但質量越大的黑洞要求的密度越低，可能越接近現實。一個質量１０倍於太陽的黑洞，其施瓦西半徑為３０公里。所以它的密度比太陽高１４個數量級。這樣的黑洞已經被觀測到，可能是老舊恆星燃料耗盡後塌縮的產物。而一個質量與月球相同的黑洞，施瓦西半徑只有０.１毫米。它的密度要更高１６個數量級，沒有目前已知的物理過程能達到。

歐本海默雖然解釋了黑洞，但並沒有證明有了足夠密度後黑洞一定會出現。這是因為他的理論假定了物質分布是球對稱的。打個超簡單的比方：如果物質分布是球對稱的，那所有物質都被引力拉向中心而崩塌到一個點。但如果不是球對稱，則各部分的物質會有不同的塌縮路線，形成一個像太陽系那樣相互繞轉的結構而非一個點。然而自然界裡沒有嚴格球對稱的物質分布。所以黑洞雖然在理論上說得通，但在現實中是否存在還是個問題。

這時候我們的第一位主角，２０２０年諾貝爾物理獎得主彭羅斯（Roger Penrose）閃亮登場了。１９６５年，拿到數學博士不到十年的彭羅斯發表了他的黑洞理論，證明黑洞的形成不需要球對稱性。到了１９７０年，彭羅斯和霍金（Stephen Hawking）進一步去掉了理論中的一個假定，從而令人信服地證明：只要物質的質量和密度滿足一定關係，就一定會崩塌成黑洞。在這個過程中，彭羅斯不但推廣了前人的結論，而且獨闢蹊徑，用拓撲學的處理方法擺脫了對物質分布細節的依賴。這個視角把對於黑洞的理解推進了一步。隨後，彭羅斯和霍金還建立了黑洞與宇宙起源的聯繫。

其實除了廣義相對論領域外，彭羅斯還有一項重大的物理貢獻，就是彭羅斯鑲嵌。我們在中學裡都學過，只有三角形，四邊形和六邊形的“瓷磚”可以無縫隙地鑲嵌整個平面，形成三度，四度和六度旋轉對稱。而彭羅斯在數學上提出一種五度對稱的鑲嵌，是用兩種不同的“瓷磚”實現的。後來人們真的發現了這種五度對稱的 “准晶體”（quasicrystal）。這是一種有旋轉對稱但沒有平移對稱（所以不是晶體）的新型材料結構。這個工作得了２０１１年諾貝爾化學獎。

讓我們回到黑洞問題。基於廣義相對論，彭羅斯在數學上證明了高密度質量分布一定導致黑洞。這樣“黑洞在現實中存在”就依賴於兩個條件。一個是廣義相對論的正確性（特別是在黑洞附近超強引力的情況下），另一個是高密度物質分布的存在。這裡所謂的“高密度”，就是指物質集中在施瓦西半徑之內。其具體密度“門檻”與總質量有關。

至今的天文觀測已經發現了很多黑洞的蹤跡。有些黑洞的質量不是很大。如２０１６年首次探測到的引力波（２０１７年諾貝爾物理獎），其波源就是兩個質量為太陽三十倍的黑洞相互繞行而最終合併。而我們下面要關注的是另一類超大型黑洞（supermassive black hole），其質量是太陽的上億倍甚至幾十億倍。

有些超大型黑洞其實是發光的，被稱為“類星體”（quasar）。類星體是太空中一種獨特的輻射源。它的尺度比太陽系更小些，但卻有星系級的輻射功率。所以它的質量必須超大，這樣引力才能抵消輻射壓而不讓物質飛散開去。這就意味着它的密度遠遠超出任何已知的星際物質形態。所以從一開始，人們就懷疑類星體與黑洞有關，從而對尋找黑洞產生了信心。彭羅斯當年就是被類星體的發現吸引到黑洞研究中去的。後來，彭羅斯和霍金髮展了解釋類星體輻射的理論。他們指出類星體的光源是圍繞在黑洞周圍的星體雲。在一些物質“掉進”黑洞的同時，另外大約４０％的物質會轉變成能量輻射出來。後來對類星體的精細觀測證實了彭羅斯和霍金對其輻射性質的預測，從而坐實了它背後的黑洞存在。這也是對廣義相對論的一個成功驗證。

人們進一步發現，很多星系的中心都有類星體作為核心。其中的超大型黑洞在星系的起源和維繫中都起着重要作用。但是超大型黑洞不一定是類星體。如果周圍沒有大量可供捕獲的星體雲，那個黑洞就不會有強烈輻射。但是如果沒有輻射，遙遠的黑洞就很難被探測到。於是人們把目光收回到我們自己的銀河系。銀河系中心沒有類星體，但有超大型黑洞嗎？這就是我們的另外兩位主角的出場時刻了。

２０２０年諾貝爾獎的另一半頒給根策爾（Reinhard Genzel）和蓋茲（Andrea Ghez），表彰他們發現銀河系中心的“超大型緻密天體”。

在銀河系中心，確實有不少星星繞着一個看不見的引力中心運轉。如果我們跟蹤那些軌道，就能算出引力中心的質量。但它是不是黑洞呢？回答這個問題的關鍵，在於它的密度。也就是說，它的物質分布範圍是不是在施瓦西半徑以內。而這個分布範圍的上限，就是星體繞行軌道中的最小半徑。所以歸根結底，我們要觀察銀河系中心深處的星體運動。要在那個群星密集的區域跟蹤個別星體的運動，需要非常高質量的天文成像技術。

很多遙遠天體的觀察（包括類星體的觀察）是由哈勃望遠鏡完成的。哈勃望遠鏡其實是一顆衛星，在繞地軌道上工作。因為沒有“塵世間”的種種干擾，它能得到穩定清晰的圖像。但在觀察銀河系中心時，我們必須採用紅外波段來避免星際塵粒對可見光的吸收。因為波長增加了，望遠鏡的口徑也要增加，所以無法放在衛星上，只能從地面“仰望星空”。於是我們就必須面對大氣干擾的挑戰了。

我們在河邊看水底卵石時，會覺得它們不停地在漂移變形。這是因為水流的表面和密度在變化，使得光線傳播的方向不穩定。在地面觀察星星時，大氣的擾動也會造成同樣效果。我們通常看到夜空的星星會“眨眼”，就是這個道理。在我們觀察遙遠星體時需要加長曝光時間來收集微弱的星光。如果目標在漂移，照片就模糊了。

幸運的是，當根策爾和蓋茲的團隊觀察銀河系中心時，電子成像技術已經比較發達了。他們先是採取了“散斑成像”（speckle imaging）技術。這個方法先抓取很多短曝光時間的影像（在短時間裡大氣近似穩定）。然後通過影像處理技術來修正不同影像之間的位移（由大氣擾動造成），再把影像加起來得到長曝光效果。這種辦法因為種種限制，得到的改進還是有限的。後來人們開發了更優越的“自適應光學”技術：在望遠鏡的反射面上裝上驅動器，使得反射面可以隨時變形，抵消大氣擾動造成的光路變化。這樣就可以直接進行長曝光而得到清晰的影像了。（自適應光學源自天文研究，現在不少其他工程領域也有應用。）

採用這些技術後，根策爾和蓋茲花了十幾年追蹤銀河系中心軌道最小的那些星體，測算那個隱形引力中心的大小和質量。他們的最新結果是：星體軌道半徑的最小值大約是施瓦西半徑的四倍。雖然這還不是黑洞的“鐵證”（因為可能的物質分布範圍還是比施瓦西半徑大），但這個物質密度已經遠遠大於任何其它已知的星體結構。所以現在大家都相信，我們的銀河系中心有一個超大型黑洞。

不僅如此，這兩個團隊還進行了銀河系中心多個星體輻射和軌道的詳細測量，觀察到引力紅移，軌道進動等廣義相對論效應，從而證明廣義相對論在黑洞附近的超強引力場條件下仍然是正確的。他們目前還在繼續提升觀測能力，希望以那些星體為“探針”，發現更多的黑洞性質。

過去半個多世紀來，黑洞已從一個玄妙的理論概念變成了可觀測可預言的現實研究對象。在這個旅程中，２０２０年諾貝爾物理獎得主們作出了重大貢獻。他們從理論上和觀測上證實了黑洞的存在並開拓了進一步研究的疆界。今天的宇宙學和天文學研究已經離不開黑洞的概念了。在廣義相對論中，黑洞是一個發散的數學解。而在現實中，發散是不可能的。也就是說，在發散的地方（奇點），廣義相對論是不能描述現實的，我們需要更精確的理論，很可能是量子化的引力論。如果黑洞研究催生了新的引力理論，那就對整個物理理論體系都有重大影響，說不定還能帶來“大統一”的聖杯。而黑洞內部的情形又無法直接觀測，所以發展了新理論還需要其它實驗觀測手段配合驗證。黑洞和其它物理領域的聯繫會越來越緊密。彭羅斯，根策爾，蓋茲等人工作的意義，也會在未來進一步顯示出來。