时空奇点与黑洞——2020年诺贝尔物理学奖
2020年诺贝尔物理学奖给我们带来了宇宙探索的又一个“亮点时刻”，——黑洞和银河系的“最深秘密”。三位获奖者的开创性发现为我们提供了迄今为止最有说服力的证据，证明银河系中心存在一个超大质量黑洞。其中，罗杰彭罗斯是英国数学物理学家，目前是牛津大学的名誉教授。他获奖的原因是用数学严格证明黑洞的出现符合爱因斯坦的广义相对论；莱因哈特根泽尔(Reinhard Genzel)目前是德国马克斯普朗克外星物理研究所(Max Planck Institute for ExternaL Physics)的主任，安德烈盖茨(andrea Gates)现在是洛杉矶加州大学(University of California，Los Angeles)的天文学教授。经过近30年的连续追踪和计算，这两位科学家在银河系中心发现了超大质量物体。
银河系中心最黑暗的秘密
我们的银河系是一个棒旋星系，里面有4000亿颗恒星，大量的星团和星云，还有无数的星际气体和星际尘埃。太阳系位于银河系的边缘。我们至少需要26000光年才能从地球到达银河系的银心。
银心，位于人马座、蛇夫座、天蝎座，是银河系包围的中心区域，也是整个银河系最亮的区域。在那里，有100亿颗恒星在闪耀，星星点点，跨越数千光年。中心标记为强无线电波源，可能是一个叫人马座A*的超大质量黑洞。
自20世纪90年代初以来，德国物理学家莱因哈特根泽尔(Reinhard Genzel)和美国女天文学家安德里亚盖茨(andrea Gates)领导了一个团队，观察银河系中心的人马座A*区域。两队发现一直都有奇怪的场景：好像有一个看不见的物体，质量很大，像个怪物，拉着星星，让它们以令人目眩的速度跑来跑去。其中一颗名为S2的恒星用了不到16年的时间绕银河系中心完成了一整圈。这个周期短得惊人。相比之下，我们的太阳绕银河系中心完成一圈需要2亿多年。
是什么让恒星以难以想象的速度围绕银河系中心旋转？根据目前的引力理论，只有一个可能的候选者，——超大质量黑洞。
近30年来，根泽尔和盖茨一直在混乱中追踪我们银河系的中心。根泽尔团队使用智利的欧洲南方天文台，盖茨团队使用夏威夷的凯克天文台，这两个天文台都配备了当今世界上最强大的天文望远镜。从地球上看，银色的心充满了宇宙尘埃和令人不安的星光。根泽尔和盖茨开发了一系列方法，通过巨大的星际气体和尘埃云来观察银河系的中心。同时，他们校正了地球大气造成的成像畸变，进一步提高了上述方法的精度和观测极限。最后，在他们的努力下，银河系中心存在巨型黑洞的决定性证据呈现在世人面前。
我们看不到黑洞本身，但可以看到恒星围绕黑洞的轨迹。通过计算这些恒星的轨道，我们可以推导出黑洞的位置和质量。科学家多次确定，人马座的A*面积和整个太阳系大小差不多，但质量却有430万个太阳那么大。
研究黑洞的历史
黑洞是宇宙中最恐怖的天体。它的引力如此强大，可以吞噬周围的一切，以至于所有的粒子，甚至光，都无法逃离它的魔掌。这么暗的天体，人类是观察不到的，很长一段时间都不敢相信。
1915年，爱因斯坦发展了广义相对论，认为物质之间的引力来自于时空的弯曲。仅仅几个月后，德国天文学家卡尔史瓦西通过计算广义相对论的引力场方程得到了著名的史瓦西解。史瓦西的解表明，如果在时空的某一点聚集了大量的物质，那么这个质量的物质就会严重扭曲时空，以至于每秒30万公里的速度的光无法逃逸。这就是我们现在熟悉的黑洞的雏形。
但引人注目的是，爱因斯坦本人并不相信黑洞的存在，甚至在1939年发表的一篇论文中公开解释了黑洞不能存在的原因。事实上，当时大多数物理学家都不敢相信宇宙中有这么奇怪的物体，但随着时间的推移，越来越多的计算证明了黑洞的可能性。
20世纪60年代后，黑洞研究领域迎来了黄金时代，大量天文学家和物理学家投身于这一领域。人们对黑洞的了解基本都是在这段时间内获得的。在这期间，有一位著名的相对论物理学大师，——美国普林斯顿大学教授约翰惠勒。他不仅进行了出色的学术研究，还在科学传播方面做了大量工作。“黑洞”这个名字是在他的命名和晋升之后才知道的。惠勒之后，霍金进一步发现了所谓的霍金辐射，改变了之前经典广义相对论对黑洞的理解。
彭罗斯证明了黑洞的存在
罗杰彭罗斯(Roger penrose)于1931年8月8日出生于英国埃塞克斯的一个科学家庭，他的父亲是著名的人类遗传学家莱昂内尔彭罗斯(Lionel Penrose)。罗杰彭罗斯是家中第二个。他的哥哥是著名的理论物理学家，他的哥哥是象棋大师，他的姐姐是英国著名的医学科学家和遗传学家。
小时候，彭罗斯不太擅长数学。他反应很慢，难以想象。有一次上课，老师要求做完一些心算，学生们不得不快速完成，这对年仅8岁的彭罗斯来说太快了。所以，老师把他换到了更差的班级。当那个班的老师发现彭罗斯的考试成绩这么差的时候，他决定不限制考试时间，只要自己喜欢就行，试卷都一样。考完试后的活动时间里，每个学生都走出教室，开心地玩着，小彭罗斯继续答题。最终彭罗斯做得不错。只要肯花时间，彭罗斯就能取得高分。
小学毕业后，彭罗斯先进入伦敦大学学院附属中学，后进入伦敦大学学院，大学毕业后去剑桥大学攻读博士学位。1958年，彭罗斯在著名的代数和几何学家约翰托德的指导下，获得了剑桥大学的博士学位。
当时已经有科学家用广义相对论证明了黑洞的预言，但那些研究都假设了严格的球面对称，即假设了一个物理上无法成立甚至无法成立的条件，而现实世界中的恒星虽然接近球面，但不可能是严格的球面。因此，这些研究不足以作为黑洞的预测。当时对于恒星是否会坍缩成黑洞，甚至黑洞是否会存在，还有很多怀疑论者，包括爱因斯坦本人。
1965年及以后，彭罗斯发表了以《引力坍塌和时空奇点》为代表的一系列论文，采用了当时广义相对论研究中仍很新颖的拓扑几何方法。在不依赖对称性和更一般的情况下，证明了大质量天体坍缩成黑洞的过程中必然存在一个点，之后所有坍缩的物质都不再存在，所有已知的自然规律都停止了。在几何语言中，这是一个几何奇点。在普通人眼里，这就是毁灭的点，因为离这个点越近，重力产生的拉力越大，最后就会毁灭。
奇点的存在一直是物理学中的难题。好在黑洞外的我们这些人不用担心，因为我们看不到他们，他们总是被所谓的视界包围着，我们看不到视界里面的任何东西。
霍金与彭罗斯双剑合璧
当时，已经在剑桥大学饱受“逐渐冰冻”之苦的霍金，认识了彭罗斯，开始了他们在宇宙学上的合作研究之旅。彭罗斯比霍金大11岁。他有很好的数学背景。当其他人在尽力猜测和求解方程时，他引入了一种新的方法，不用具体求解方程就可以看到解的一些性质。
从1965年到1970年，霍金和彭罗斯组成了一个关于黑洞和婴儿宇宙(即“早期宇宙”)的研究小组。他们一起把奇点存在的证明扩展到更普遍的宇宙，包括早期宇宙。他们提出了著名的彭罗斯-霍金奇点定理，这个定理有两个部分：一是物理概念，二是数学的严格证明。
从1965年到1968年，霍金完善了前人关于宇宙起源的假设：宇宙可能起源于一次大爆炸，其中心是时空——的奇点，一个密度无限、体积无限小的点。1970年，霍金和彭罗斯合作给出了一个严格的数学证明，在广义相对论的框架下，宇宙中一定存在奇点。这意味着宇宙有始有终。——诞生于大爆炸的奇点，终结于黑洞内部的奇点。
奇点定理让“BIGBANG”理论理所当然。因为奇点必然存在，宇宙必然有个开端，这就是奇点定理的重大意义。经过几十年的发展，只有大爆炸假说才能完美处理奇点。微波背景辐射、引力波和类星体(活动星系核)的发现都表明，大爆炸理论是唯一符合所有观测结果的假设。这一切都源于霍金和彭罗斯关于奇点的论证。
2010年，彭罗斯和另一位科学家分析了威尔金森微波背景辐射探测器观测到的数据，发现大爆炸之前就存在神秘的辐射。根据他们的研究报告，共发现了12个同心辐射足迹，其中5个环具有特殊意义，对应宇宙演化史上的5次大规模事件。彭罗斯和他的合作者说，这是BIGBANG之前存在另一个宇宙的证据。他们提出了一个新的宇宙模型，在这个模型中，我们的宇宙是一个更大的振荡宇宙的一部分。今天的宇宙一直在膨胀，但这种膨胀不是永恒的。随着黑洞吞噬宇宙中所有物质，另一个宇宙将在遥远的未来以大爆炸的形式再次打开。
更多黑洞类型
由于天文观测技术的快速发展，到目前为止，科学家们已经发现了大量的黑洞，这些黑洞可以按质量分为三类：
一个是恒星级的黑洞，质量在3到100个太阳质量之间。按照理论，银河系应该有上亿个恒星量级的黑洞，可惜目前只探测到几十个，只有不到20个恒星量级的黑洞有非常精确的质量测量。
第二种是中等质量的黑洞，质量在100到100万个太阳质量之间。对于中等质量的黑洞，直接证据很少，但理论研究证明它们应该存在，所以寻找中等质量的黑洞也是一个热门话题。
第三类是超大质量黑洞，质量在100万到100亿个太阳质量之间。科学家认为，包括银河系在内的所有星系中心都会有一个或几个超大质量黑洞。
对于一个黑洞，只需要三个物理量来描述，一个是它的质量，一个是它的自转，一个是它的电荷。在宇宙中，几乎所有的气体都是以等离子体状态存在的，会有大量的自由电荷。黑洞如果带电，很容易吸收周围的带电粒子，达到功率平衡。所以只剩下两个物理量，一个质量，一个旋转。科学家的主要任务是测量黑洞的这两个基本量。
超大质量黑洞已经被发现，但它们实际上给理论家带来了新的问题。比如这么大质量的黑洞是怎么形成的？恒星质量的黑洞仍然可以用恒星坍缩来解释，但是宇宙中还没有发现几百万到几亿个太阳质量的恒星，这样的恒星在理论上是否能存在还不得而知。
几十年来，对于超大质量黑洞的形成提出了各种各样的模型，比如球状星团中小质量黑洞的合并，恒星周围中等质量黑洞的吸积和气体增长。但是这些模型有些依赖于过多的假设，有些经过仔细考虑对物理环境要求过高。此外，随着对高红移星系观测的进展，天文学家发现这些超大质量黑洞实际上存在于很早的宇宙中，这也对这类理论提出了新的挑战。这仍然是超大质量黑洞研究中最重要的未解决问题之一。
即使不考虑超大质量黑洞是如何形成的，也足够有趣：超大质量黑洞在星系中占有相当大的质量，这必然会影响星系的演化。超大质量黑洞的吸积向星系发射巨大的能量，必然会影响星系中气体和恒星的行为。然而，我们不知道这些事情是如何发生的。这些都是极其有趣的问题，吸引着新一代学者去探索。
黑洞研究没有期限
2020年诺贝尔物理学奖的三位获奖者以其开拓性的智慧为我们带来了研究超大质量天体的新方法，他们的成就无疑为人类打开了一扇新的世界之门。
从1915年广义相对论的诞生，到目前正在计算的最早的黑洞解，到美国物理学家奥本海默等人证明事件视界的可能存在，到彭罗斯和霍金证明奇点的可能存在，到天鹅座X-1的发现，再到美国天文学家塞弗特对星系的分类，以及后来天文学家对这种物理机制的洞察，直到根泽尔和盖茨发现银河系中的超大质量黑洞，我们一步步挑战黑洞的宇宙。
在发现根泽尔和盖茨之后，关于黑洞的故事还在继续。2015年9月14日，美国的LIGO(激光干涉引力波天文台)捕捉到了两个黑洞合并产生的引力波，暗示黑洞是真实存在的。2019年4月10日，来自世界各地的天文学家同时公布了黑洞的“真实内容”。黑洞位于处女座的巨型椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域有一个阴影，周围是新月形的光环。这两项成果证明黑洞是客观存在的物理实体，而不是科幻小说中的虚拟概念。
今年的诺贝尔物理学奖是近几十年来对黑洞研究工作的总结。然而人类却发现，门外还等着无数的未知，等着物理学家去思考去探索。