北京时间10月6日下午，2020年诺贝尔物理学奖揭晓，3位科学家因为在天体研究方面的贡献获得殊荣。其中，彭罗斯因“发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测”而获奖，根泽尔与格兹因“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”而获奖。

二、黑洞的类型

到目前为止，科学家已经发现了非常多的黑洞，通过质量可以把它们分解为三大类：

第一类是恒星量级的黑洞，也就是说它的质量可以从3倍太阳质量到100个太阳质量之间。第二类称之为超大质量的黑洞，它的质量起点是几十万倍的太阳质量，或者上百万倍的太阳质量，一直到几十亿倍甚至于上百亿倍的太阳质量。介于其中的这一类黑洞，称之为中等质量的黑洞。但是对于中等质量的黑洞，现在观测的直接证据非常少，但是理论研究证明，它们应该是存在的，所以寻找中等质量的黑洞也是目前研究的一个热门课题。

黑洞是宇宙当中最为神奇、也是最为简单的一类天体，只需要3个物理量就可以描述它，一个是它的质量，一个是它的转动，另外一个就是它的电荷。

在宇宙当中，气体几乎都是以等离子体状态存在，会存在非常多的自由电荷。如果一个黑洞带电，那很容易吸附周围的带电粒子而达到电力平衡。所以最终只剩下两个物理量，一个质量，一个转动，这个时候，就可以通过所谓的克尔度规来完整描述天体物理学当中的黑洞，科学家主要的任务就是测量黑洞的这两个基本量。

在银河系中，按照理论，还应该存在着上亿个恒星量级的黑洞。但遗憾的是人类到目前为止仅仅探测到了几十个，而且只有不到20个恒星量级的黑洞有非常精确的质量测量，其他将近上亿个的黑洞，现在并没有探测到。

三、罗杰·彭罗斯的研究

罗杰•彭罗斯有两个最著名的成果：奇点定理和彭罗斯过程，前者在学术界非常著名，后者在科幻小说中非常著名。

早期的一些黑洞模型（例如提出于1916年的史瓦西黑洞解）的计算结果令人震惊：黑洞的所有物质全部集中在一个大小为零的点上，这个点称为奇点，在广义相对论下对应着发散的曲率（可以理解为，理论在这里失效了），并且有着无穷大的密度。如果有一个物体从事件视界外部进入黑洞，它们最终也会在有限的时间内坠落到奇点上去，从而成为奇点的一部分。而对于这个物体，当它到达奇点的时候，它的时间就再也不会继续了，或者说，它的时间就终结了。

1965年，彭罗斯爵士与霍金一起证明了奇点定理。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，并且直接催生了一系列重要结果。奇点定理说明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。具体地说，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）。彭罗斯爵士的工作主要在黑洞方面，而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，彭罗斯爵士获奖是恰如其分的。可惜的是霍金已经去世了，否则今年的诺贝尔奖一定也有他的份儿。

自然界中的黑洞有一些是在自转的。具有自转但是没有电荷的黑洞称之为Kerr黑洞。与所有黑洞一样，Kerr黑洞也有事件视界，但是在它的事件视界之外有一个称为“能区”的神奇区域。彭罗斯爵士发现，如果我们把一个物体投入能区，在能区里这个物体分裂成两部分，那么有可能其中一部分携带一个小于零的能量而落入黑洞，而因为能量是守恒的，另一个部分则一定会携带一个比原先还要大的能量，从而有可能离开能区回到我们手中（注意能区是在事件视界外面的，所以这与黑洞的定义不矛盾）。多出来的能量是哪里来的呢？计算发现它其实来源于黑洞的角动量：每进行这么一次操作，黑洞就会转得慢一些，而能区就会缩小一点。当黑洞的角动量被提取完了（不转了），能区也就消失了。这个过程被称为彭罗斯过程。在科幻小说中，彭罗斯过程常常被认为是未来的人类获取终极能量的方式：我们只要派一个飞船携带一些垃圾进入一个Kerr黑洞的能区，并且以某种方式把垃圾投入黑洞，飞船就有可能携带更多的能量而回到我们手中。

四、另两位科学家的研究

莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹从上世纪九十年代初开始研究银河系的中心区域。随着精确度的提高，他们成功绘制了离银河系中心最近的最亮恒星的轨道。两组研究人员都发现，有一种看不见但很重的物体，促使这些恒星在周围转圈。根泽尔和格兹的工作提供了最能够令人信服的证据，表明银河系中心有一个超大质量的黑洞。

这个超大质量的天体的质量在400万倍太阳质量以上，直径却小于4400万千米，是超大质量黑洞的绝佳人选。虽然诺贝尔奖在措辞上比较严谨，仅仅说这是一个“超大质量的致密天体”。

超大质量黑洞的发现，给理论学家带来了新的问题。最简单的问题就是：如此质量巨大的黑洞是如何形成的？恒星质量的黑洞尚可通过恒星坍缩来解释，但是宇宙中并没有发现数百万到数亿倍太阳质量的恒星，这种恒星在理论上能否存在也是一个未知数。

关于超大质量黑洞的形成，几十年来大家提出了各种模型，比如球状星团内小质量黑洞的合并，中等质量黑洞（就是比恒星质量黑洞稍微大一点的）经历“超爱丁顿吸积”过程等。但是这些模型有些依赖过多的假设，有些在经过仔细考虑后对物理环境的要求过于苛刻。此外，随着高红移星系观测的进步，天文学家发现这些超大质量黑洞其实在很早期的宇宙就已经存在了，这也给这类理论提出了新的挑战。

还有一个重要的问题是：为什么只有质量是几十倍太阳质量的黑洞，以及质量超过百万倍太阳质量的黑洞？为什么没有介于两者之间的，既不太大，也不太小的中等质量黑洞？有一些人提出理论来禁止这类黑洞的形成，还有些人认为这纯粹是因为这类黑洞很难被观测到，毕竟我们观测超大质量黑洞和恒星级别的黑洞使用的是完全不同的办法。这些问题到现在都没有满意的答案。