2020年的諾貝爾物理學獎

前天晚上，2020年諾貝爾物理學獎在萬眾矚目中揭曉，獲獎者是羅傑•彭羅斯、萊因哈德•根澤爾和安德裡亞•蓋茲（圖1）。這三位科學家之所以能戴上諾獎的桂冠，是因為他們分別從理論和觀測的角度，證明了黑洞的存在。

從觀測角度證明黑洞存在的，是根澤爾和蓋茲。之前，我已經介紹過他們如何發現銀河系中心隱藏著一個超大質量黑洞，這裡就不再贅述了。

下面我要科普的，是彭羅斯（圖2）的成果，也就是他在1965年提出的奇點定理。

為了講清楚這個奇點定理的來龍去脈，我需要先回顧一下之前在銀河系之旅中講過的內容。

20世紀20年代，英國大天文學家愛丁頓（圖3）揭開了恆星的生老病死之謎。他發現，天上的恆星可以分為3類：主序星、紅巨星、白矮星。主序星是盛年的恆星，紅巨星是瀕死的恆星，而白矮星是死掉的恆星。這個發現，絕對是20世紀最重大的天文成果之一。

但到了20世紀30年代，愛丁頓創造的這個看似和諧的恆星世界，卻受到了嚴重的衝擊。第一個舉起反對大旗的人，是錢德拉塞卡（圖4）。他證明了如果白矮星的質量超過了太陽質量的1.44倍（即錢德拉塞卡），這個白矮星就會繼續塌縮下去。這意味著，白矮星並不是恆星演化的唯一終點（http://t.cn/EhaaBSe）。

然後登場的，是美國天文學家沃爾特·巴德（圖5）和弗裡茨·茲威基（圖6）。他們在1934年預言了一種比白矮星更緻密的天體，那就是所謂的中子星（http://t.cn/EhgEcq0）。

但到了1939年，美國物理學家奧本海默（此人就是著名的原子彈之父，見圖7）發現，中子星也有自己的質量極限，稱為奧本海默極限。如果中子星的質量超過了奧本海默極限，這個中子星同樣會繼續塌縮下去（http://t.cn/A6bI4Gtc）。

錢德拉塞卡、巴德、茲威基和奧本海默的發現，揭示了一種匪夷所思的理論上的可能性。對於一個球對稱、且質量超過太陽質量3倍的死亡恆星而言，沒有任何力量能夠阻止它自身的引力塌縮。也就是說，這個死亡恆星所有的質量，最終都會被壓縮成一個不佔任何體積的點。這個集中了黑洞全部質量、密度無窮大的點，就是所謂的奇點。

死後的恆星會變成一個密度無窮大的奇點，這種理論上的可能性，被以愛因斯坦和愛丁頓為代表的主流天文學界，視為異端邪說。

為了消除這個該死的奇點，以利夫希茲（Lifshitz）為代表的一些蘇聯物理學家就提出了這樣的觀點：在真實的宇宙中，並不存在完全球對稱的恆星。這樣一來，恆星死後就不會被自身引力壓縮成一個奇點。

這是本文的關鍵所在，所以我再強調一下。利夫希茲認為，不具備球對稱性的死亡恆星，不會被自身引力壓縮成一個奇點。這是阻止黑洞形成的最後一個理論障礙。

做了這麼多鋪墊以後，接下來我們就可以介紹彭羅斯的奇點定理了。

1965年，彭羅斯在《物理評論快報》上發表了一篇裡程碑式的論文（圖8）。在這篇名為「引力塌縮和時空奇點」的論文中，彭羅斯用自己開發的一套全新的數學工具（即彭羅斯圖），證明了奇點的形成與死亡恆星的對稱性無關。說得更具體一點，彭羅斯從數學上嚴格地證明了，不管是什麼形狀的恆星，只要質量足夠大，死亡以後都會被引力壓縮成奇點。這就是彭羅斯的奇點定理。

這個奇點定理，掃除了阻止黑洞形成的最後一個理論障礙，從而完成了大質量恆星引力塌縮理論最後的臨門一腳。也正是這個奇點定理，為他贏得了今年諾獎的桂冠。

最後再多說一句。還有一個科學家對這個奇點定理做出了重大的貢獻，那就是大名鼎鼎的霍金（圖9）。利用彭羅斯開發的數學工具，霍金證明了宇宙大爆炸也一定會有一個奇點。換言之，我們的宇宙一定會有一個開端。當然，這就是另一個故事了。

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