羅傑·彭羅斯究竟做了什麼工作而獲得了2020年諾貝爾物理學獎

每年10月國慶節是中國人最開心的時候。但對搞科學研究的人而言，每年10月還有一個更期待的大事，那就是「諾貝爾獎」揭曉季。這是全科學領域內的大事，特別是對搞自然科學研究的人來說。眾所周知，諾貝爾獎裡最受關注，「含金量」最高的當屬諾貝爾物理學獎，是物理學領域能夠取得的最高榮譽。

從2000年以來，有8次的諾貝爾物理學獎授予了與天文學和天體物理學相關的研究，這也凸顯了目前天文學和天體物理學的基礎研究在物理領域的重要性。

10月6日，瑞典皇家科學院宣布，2020年諾貝爾物理學獎的1/2，授予英國牛津大學的數學物理學家羅傑彭羅斯。諾貝爾獎評委會給出的評價是「for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity」，意思是說「發現黑洞是廣義相對論的必然預言」。

對普通大眾來說，廣義相對論不早就證明是對的了嗎，還有什麼必要為了再次證明它的正確性頒發諾貝爾獎嗎？也可能，有些人認為這個評價根本就是廢話一句，從這個評價中，根本就無法體現羅傑斯所在工作的意義。對羅傑彭羅斯這個人，可能沒有幾個人聽說過。但說起他的合作者，大名鼎鼎的史蒂芬霍金（Stephen Hawking），大家就都知道了。羅傑斯原來是搞數學研究的，後來才對物理感興趣，進而用數學的方法來研究愛因斯坦的廣義相對論。2020年的諾貝爾物理學獎，主要是基於羅傑彭羅斯和霍金對黑洞「奇點定理」和「宇宙監督假設」的若干研究。

羅傑彭羅斯分享了2020年諾貝爾物理學獎的1/2

我們簡單聊一聊「奇點定理」。1915年，愛因斯坦發表了廣義相對論的引力場方程，這是高度耦合的非線性方程，求解極為困難。1915年12月，德國軍隊中一位自願入伍，名叫史瓦西（Schwarzschild）的年輕人，求出了在真空、球對稱條件下愛因斯坦場方程的第一個解。1922年，俄國物理學家弗裡德曼（Friedman）求得了另一個描述各向同性均勻宇宙演化的解。科學家發現，這兩個解中，都存在一個時空曲率無窮大（半徑等於0）的「奇點」。奇點附近的時空會出現各種怪異的行為。我們現實宇宙是不允許奇點這種無窮大的狀態存在的。後來，天文學家對大質量恆星晚期演化的進一步研究發現，黑洞的誕生過程會不可避免產生引力和物質密度無窮大的時空奇點。而黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言的天體，這就自然而然帶來了廣義相對論的奇點問題，而這個問題，正是霍金和彭羅斯解決的。在解決奇點問題中，彭羅斯深厚的數學功底起了重要作用。1965年，彭羅斯和霍金證明了「奇點定理」，簡而言之，廣義相對論中奇點是不可避免的，而且普遍存在於時空中。也就是說，奇點和黑洞一樣，是廣義相對論的必然結論。說得通俗點，就是：時間一定是有限的。這對於科學和哲學，有著極其重要的意義。

這樣，就又帶來了新問題：奇點如何存在於宇宙時空中？1968年，彭羅斯提出了「弱宇宙監督假設」，認為奇點總是被包含在黑洞的事件視界內部，不會光溜溜裸露在宇宙時空中，也就是說，奇點外面穿了一層「衣服」，因而就不會對外部時空產生影響。

愛因斯坦的廣義相對論自1915誕生後，經歷了各種實驗驗證，證明是正確的。如果無法解決奇點問題，那就有理由認為廣義相對論也可能在某一方面出現了問題。而彭羅斯和霍金的研究，成功解決了奇點問題。既然在廣義相對論中奇點普遍存在，而且是被黑洞的事件視界包裹著的，那麼黑洞自然也就成了廣義相對論的必然預言！這也再次證明愛因斯坦的廣義相對論是正確的。也許，如果霍金老先生還在世，估計會和彭羅斯一起得獎吧。所以說，做出出色的科研成果很重要，活得長命也很重要！

值得一提的是，在黑洞研究中，有一種提取黑洞自轉能的物理機制，叫做「彭羅斯過程」，就是以羅傑彭羅斯的名字命名的。