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『近日，瑞典皇家科学院将年诺贝尔物理学奖一半授予罗杰·彭罗斯（RogerPenrose），另一半分别授予莱茵哈德·根策尔（ReinhardGenzel）和安德烈娅·盖兹（AndreaGhez），以表彰他们在黑洞相关研究中的贡献。』美国西海岸时间凌晨三点多得到的消息……非常激动！巧合的是，这次的三位诺贝尔奖得主都和我有一点点联系：罗杰·彭罗斯爵士年暑期来加州理工访问的时候，我恰好在这里做暑期科研，于是与他畅聊了半小时；莱茵哈德·根策尔曾经在今年二月来过我们的组会（也是新冠疫情前的最后几次线下组会之一），可惜我当时并不认识他，只是留下了一些印象，似乎还给他介绍了自己的研究；安德烈娅·盖兹是我校届校友。此外，后两位得主所研究的超大质量黑洞，也是我正在研究的领域之一。下面具体谈一谈他们获奖的领域与贡献。↑年诺贝尔物理学奖在瑞典揭晓①罗杰·彭罗斯爵士：发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测罗杰·彭罗斯爵士是英国数学物理学家，兴趣很广泛，研究也涉及到了很多方面。比如学计算机的同学们可能听说过他在研究生期间提出的摩尔-彭罗斯广义逆。这次他获得诺奖的理由是“发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测”。坦白地说，这是一个很广泛的描述。因为我并非研究广义相对论的专家，在这里只凭粗略了解，简要提一下他在这个领域的两个最著名的成果：奇点定理（SingularityTheorem）和彭罗斯过程（PenroseProcess）；前者在学术界非常著名，后者在科幻小说中非常著名。（一）奇点定理是怎么来的年，爱因斯坦提出了关于万有引力的广义相对论，而黑洞是广义相对论所预言的一种奇特天体：它仅仅由时间和空间构成，存在一个叫事件视界的界面。如果把黑洞理解为一个球，事件视界就是球的表面（实际上，更严格的说法是这个球表面的所有过去、现在与未来，因为相对论是一个四维的理论，因此时间也要考虑进去）。与一般的星球不同，黑洞的事件视界（表面）内部与外界是没有因果联系的：简单来说，无论内部发生什么样的物理过程，作为黑洞外部的观察者都是原则上不可能知道的。这个结果实际上和我们通常所说的“光进入黑洞就不能逃逸”是一致的：在相对论下，光速是宇宙中信息传播速度的上限，如果光都不能从事件视界里穿出，那么自然任何有效的信号都不可能从事件视界内部发送到外部，从而对外部的物理过程产生影响。尽管我们不可能观察到事件视界内部发生的事情，但是总是可以利用广义相对论来算一算事件视界内部的情况的，而早期的一些黑洞模型（例如提出于年的史瓦西黑洞解）的计算结果甚至更加令人震惊：在事件视界内部，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（qí）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。这个结果无论是从理论上还是直观上都是很难接受的：理论上来说，广义相对论下的曲率不应该发散，直观上来说，谁也无法想象一个尺寸为0，密度是无穷大的物质，或者是时间的终结这种概念。因此，包括爱因斯坦在内的大部分物理学家都不愿意接受这样的解释。为了避免这种矛盾，很多物理学家就猜测：黑洞的解仅仅是广义相对论的方程的一个解而已，实际上宇宙中很可能不存在能形成这个解的物理过程（可以类比为：虽然撒哈拉沙漠中心发现一只鲸鱼本身不违反物理定律，但是缺乏有效的自然规律，导致我们可以形成这个结果，因此还是几乎不可能发生的）。毕竟黑洞的解只是一个数学结果，如果黑洞（以及奇点）真的存在，必须从一个物理上可以允许的物理过程演化过去。然而，这种猜测很快受到了挑战：年，钱德拉塞卡发现，超过大约1.4太阳质量的白矮星将不能用内部的电子简并压对抗万有引力，因此将在自身引力下坍缩[1]。很快有人指出，中子的简并压强也许可以支撑引力，使得这个坍缩的白矮星成为中子星。然而年，奥本海默提出中子星也有质量上界，即托尔曼-奥本海默-沃尔科夫（TOV）极限，而不存在任何已知的相互作用可以阻止超过TOV极限质量的中子星在自身引力下坍缩[2]。同样是在年，奥本海默和他的学生Snyder第一次证明了，史瓦西黑洞的事件视界可以由一个物理上定义良好的恒星模型经过引力坍缩形成[3]（关于Oppenheimer-Snyder解的具体讨论，可以参考我的这篇（更为学术性）回答：一个黑洞不存在的论据，对不对？