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2020年诺贝尔物理学奖颁给了黑洞 ， 严格来说是颁给了揭示星系中心黑洞的天文学家和证明黑洞奇点的彭罗斯 。 但彭罗斯奇点定理的影响要深得多 ， 它把我们引向爱因斯坦伟大理论的极限和宇宙的起源 。
黑洞与奇点自18世纪以来 ， 黑洞一直困扰着我们的引力理论 。 当约翰·米歇尔和西蒙·拉普拉斯探索牛顿的万有引力定律时 ， 他们意识到可能存在一颗质量巨大的恒星 ， 以至于它会阻止光线从其表面逃逸 。 很少有人把这些“暗星”当回事 ， 特别是当我们知道光的行为并不像牛顿所假设的那样 。 后来 ， 我们甚至发现连引力都不像牛顿告诉我们的那样起作用 。 1915年牛顿引力被更为精确的广义相对论所取代 ， 但这并不意味着暗星的终结 ， 反而是以黑洞的名义复活 。
在爱因斯坦发表广义相对论方程后不久 ， 卡尔·史瓦西就得出了一个解 ， 揭示了一个足够致密的物质球将被一个时间冻结的表面所包围 。 在那个
【彭罗斯奇点定理如何揭示时空的终结】但物理学家通常对无穷大持怀疑态度 ， 通常情况下 ， 它们被认为是理论中的一个小故障 。 爱因斯坦自己也怀疑在真实的宇宙中黑洞是否会形成 ， 即使黑洞能够形成 ， 它们也不应该存在奇点 。 毕竟 ， 史瓦西
1939年 ， 罗伯特·奥本海默和哈特兰·斯奈德表明 ， 一个完全平滑的尘埃球可以坍缩成一个史瓦西黑洞奇点 。 到了1960年代中期 ， 罗伊·克尔在爱因斯坦的方程中解出了一个旋转黑洞 ， 其中无限引力的中心点被旋转成了一个环 ， 但它仍然是一个奇点 。 两个理论中的完美对称性都遭到了质疑 ， 因为现实中不可能存在 。
彭罗斯奇点定理剑桥大学一位名叫罗杰·彭罗斯的年轻物理学家证明了黑洞奇点在爱因斯坦理论中是完全不可避免的 。 彭罗斯的奇点论文看起来很短 ， 但这种简洁性似乎不那么简单 。 有人说 ， 这篇1965年的论文在广义相对论发表半个世纪后 ， 带来了第一个真正的新进展 。 那么彭罗斯发现了什么？他是如何设法窥视到黑洞的数学核心的？为什么他应该获得诺贝尔奖？下面这些论述可能有人看不懂 ， 但我会举一个例子 ， 你看过后就会豁然开朗 。
彭罗斯表明 ， 只要物质被压缩到一个足够小的空间体积 ， 任何物质分布都会形成视界和奇点 。 他用一种聪明的方式证明了这一点——通过展示时空网格在黑洞内真正结束了 。
在广义相对论中 ， 我们用称之为测地线的网格线来描绘时空的结构 ， 它们是物体在引力场自由落体所经过的路径 。 光线所经过的路径称为零测地线 ， 它们是划分时空结构的黄金标准 。 经过任何引力场的零测地线往往都会会聚在一起 ， 这就是引力透镜 。 由普通物质产生的引力场总是会产生这种会聚作用 ， 引力场的这种聚焦特性被称为广义相对论的弱能量条件 ， 它适用于任何黑洞 。 因此 ， 进入黑洞的零测地线会收敛 。
但关于黑洞的疯狂之处在于 ， 事件视界下方试图向外传播的零测地线也会收敛 。 实际上 ， 事件视界的整个概念在这里很棘手 ， 有很多方法可以定义事件视界 ， 这取决于你与黑洞的相对位置 。 彭罗斯提出了一个更精确的概念——被困表面 ， 即任何具有零测地线性质的封闭表面 ， 因此任何从表面指向外的光实际上都是向下移动的 。 黑洞“内部”的任何封闭表面都被认为是被困表面 。
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