时空奇点与黑洞
柳穗
2020年诺贝尔物理学奖获得者，从左至右：罗杰·彭罗斯、赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹
2020年的诺贝尔物理学奖带我们发现宇宙探索的又一“高光时刻”——黑洞和银河系“最深处的秘密”，三位获奖者的开创性发现，为我们提供了迄今为止最令人信服的证据，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、目前为牛津大学名誉教授，他获奖的原因是用数学严格证明了黑洞的产生符合爱因斯坦广义相对论的原理;赖因哈德·根策尔现为德国马克斯·普朗克地外物理研究所所长，安德烈娅·盖兹现为美国加州大学洛杉矶分校天文学教授，这两位科学家通过近30年的持续追踪和计算，发现了银河系中心的超大质量天体。
银河系中央的至暗奥秘
我们的银河系是一个棒旋星系，其中包含4000亿颗恒星、大量的星团、星云，同时还包含着无数的星际气体和星际尘埃。太阳系所处的位置是银河系的边缘地带，从地球出发，我们去往银河系的银心，至少需要2.6万光年。
银心位于人马座、蛇夫座与天蝎座三个星座中，是银河系环绕的中心区域，同时也是整个银河系中最明亮的区域。在那里，有100亿颗恒星闪耀，点缀星空，跨度达到数千光年。最中心处被标示为强烈的电波源，可能是个超大质量黑洞，被命名为人马座A*。
从20世纪90年代初期开始，德国物理学家赖因哈德·根策尔和美国女天文学家安德烈娅·盖兹就各自领导着一支队伍对银河系中心的人马座A*区域展开观测。两支队伍不约而同地发现，这里无时无刻不在上演着诡异的景象：似乎有一个质量非常大的不可见物体，像一头怪物，牵引着这一团恒星，使它们以令人眩晕的速度四处乱窜。其中一颗恒星，被称为S2，花了不到16年的时间就绕着银河中心转完了一整圈。这个周期短到令人咋舌，相比之下，我们的太阳绕着银河系中心走完一圈，要花上2亿多年才行。
是什么让恒星围绕着银河系的中心以超乎想象的速度旋转？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，根策尔和盖兹一直在我们星系中心的一团乱麻中追踪着银河系中心。根策尔团队使用位于智利的欧洲南方天文台，盖兹团队使用位于夏威夷的Keck天文台，这两个天文台都配有当今世界上最强大的天文望远镜。从地球看去，银心部分充斥着宇宙尘埃和干扰星光。根策尔和盖兹开发出了一系列方法，可以穿过星际气体和尘埃聚成的巨大云团，观测到银河系的中心。同时，他们还通过对地球大气带来的成像扭曲进行矫正，进一步提升了上述方法的精度和观测极限。最终，在他们的努力下，银河系中央存在巨型黑洞的决定性证据呈现在了世人面前。
我们看不到黑洞本身，但是可以看到黑洞周围恒星的运动轨迹。通过计算这些恒星的轨道，就可以反推出黑洞的位置和质量。科学家经过多次测定，人马座A*区域虽然大小和整个太阳系差不多，但质量却达到了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，它引力极其强大，能够吞噬周围的一切，以至于所有粒子，甚至光都无法逃出它的魔掌。这样的暗黑天体人类是无法观测到的，也曾长时间无法相信它的存在。
1915年，爱因斯坦发展出广义相对论理论，根据广义相对论，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引力场方程得到了著名的史瓦西解。史瓦西解表明，如果将大量物质聚拢在时空中的一点，那么这团物质就会把时空严重扭曲，以至于速度为每秒30万千米的光都无法逃脱，这便是我们现在所熟知的黑洞雏形。
但戏剧性的是，爱因斯坦本人并不相信黑洞是真实存在的，甚至在1939年发表的一篇论文中还公开说明黑洞不能存在的理由。其实，当时大多数物理学家都不敢相信宇宙中竟然还有这么奇怪的天体，但随着时间的推移，越来越多的计算证明了黑洞存在的可能性。
20世纪60年代后，黑洞研究领域迎来了它的黄金时代，一大批天文学家、物理学家投身于这个领域。现在人们所知道的有关于黑洞的知识基本上都是在这段时间内得到的。在这一时期，有一位非常知名的相对论物理大师——美国普林斯顿大学的教授约翰·惠勒，他不仅学术研究非常出色，而且在科学传播方面也做了非常多的工作。黑洞这个名字经过他的命名和推广，才得以被众人所知。在惠勒之后，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對于黑洞的认识。
彭罗斯证明了黑洞的存在
罗杰·彭罗斯1931年8月8日出生于英国埃塞克斯州的一个科学世家，父亲是著名的人类遗传学家莱昂内尔·彭罗斯。罗杰·彭罗斯在家中排行老二，哥哥是著名的理论物理学家，弟弟是国际象棋大师，妹妹是英国知名的医学科学家、遗传学家。
小时候，彭罗斯的数学不太好，他反应很慢，慢到让人无法想象。一次在课上，老师要求完成一些心算，学生们必须很快地计算，对年仅8岁的彭罗斯来说那速度太快了。因此，老师把他换到了一个稍差的班级中。那个班级的老师发现彭罗斯考试成绩如此糟糕后，决定不限定考试的时间，喜欢做多久都可以，且考的考卷都是一样的。考试结束后的活动时间中，每个同学都走出教室开心地玩耍着，而小彭罗斯仍在继续答题。最终，彭罗斯都完成得不错。只要可以慢慢来，彭罗斯就能得高分。
小学之后，彭罗斯先进入英国伦敦大学学院的隶属中学，然后进入伦敦大学学院，大学毕业后进入英国剑桥大学攻读博士学位。1958年，彭罗斯在知名代数学家与几何学家约翰·托德的指导下获得剑桥大学博士学位。
在那个时期，已经有一些科学家证明了广义相对论对黑洞的预言，但那些研究都假定了严格的球对称性，即假定了一个物理上无法确立甚至有可能不成立的条件，而现实世界里的恒星虽接近球形，却不可能是严格球对称的。因此，这些研究作为对黑洞的预言都不够坚实。对恒星能否坍塌为黑洞，甚至黑洞能否存在，当时仍有大量怀疑——怀疑者中包括了爱因斯坦本人。
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，采用了在当时的广义相对论研究中还很新颖的拓扑几何方法，在不依赖对称性的、更普遍的条件下，证明了在大质量天体塌缩成黑洞的过程中，必然存在一个点，所有的塌缩物质在这个点之后不再存在，所有已知的自然规律也都在其中停止了。用几何的语言来说，这是几何上的奇点。而在普通人看来，这是毁灭之点，因为越是靠近这个点，引力产生的拉扯力越大，最终归于毁灭。
奇点的存在一直是物理学中的一个难题。好在我们这些在黑洞外部的人不必担心，因为我们看不到它们，它们总是被所谓的视界包围起来，对于视界内部，我们什么也看不到。
霍金和彭罗斯的双剑合璧
当时，同在剑桥大学、已经患上“渐冻症”的霍金遇到彭罗斯，开始了他们合作研究宇宙学的旅程。彭罗斯比霍金大11岁，他有相当好的数学功底，当其他人正在费尽心思猜测求解方程时，他引进了一种新方法，不需要具体的求解方程，就能看出解的一些性质。
彭罗斯和霍金在一起
从1965到1970年，霍金和彭罗斯组成一个黑洞和婴儿宇宙（即“早期宇宙”）的研究小组，两人一道将奇点的存在性证明推广到更加普遍的宇宙世界里，包括早期宇宙，他们提出了著名的“彭罗斯-霍金奇点定理”，定理有两部分：一部分是物理学概念，一部分是数学上的严格证明。
1965-1968年，霍金完善了前人关于宇宙起源的设想：宇宙可能起源于一场大爆炸，其中心为时空奇点——一个密度无限大，体积无限小的点。1970年，霍金与彭罗斯合作给出了严格的数学证明——在广义相对论框架下，宇宙中必然存在奇点。这意味着宇宙有开始也有终结——时间诞生于大爆炸的奇点，终结于黑洞内部的奇点。
奇点定理让“宇宙大爆炸” 学说变得理所当然。因为奇点必然存在，所以宇宙必然有开端，这就是奇点定理的伟大意义。经过几十年的发展，目前只有大爆炸假说可以完美处理奇点的问题。微波背景辐射的发现，引力波的发现，类星体（活动星系核）的研究成果都在表明，大爆炸学说是目前唯一一个符合所有观测结果的假说。而这一切都起源于霍金和彭罗斯关于奇点的论证。
2010 年， 彭罗斯与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资料，发現在大爆炸之前竟然存在神秘的辐射。他们的研究报告称，一共发现了12个同心圆辐射印迹，其中有五个环具有特别的意义， 分别对应着宇宙演化历史上五次大规模的事件。彭罗斯和合作者称这是宇宙大爆炸之前还存在另一个宇宙的证据，他们提出一个新的宇宙模型，在这个模型中，我们的宇宙是更大的振荡宇宙的一部分，今天的宇宙一直在膨胀，但是这种膨胀并非万古不变，随着黑洞将宇宙内的物质全部吞噬，在遥远的未来将以大爆炸的形式再度开启另一个宇宙。
更多的黑洞类型
得益于天文观测技术的迅猛发展，到目前为止，科学家已经发现了非常多的黑洞，通过质量可以把它们分解为三大类：
一类是恒星量级的黑洞，其质量介于3个到100个太阳质量之间。按照理论，在银河系中应该存在着上亿个恒星量级的黑洞，但遗憾的是人类到目前为止仅仅探测到了几十个，而且只有不到20个恒星量级的黑洞有非常精确的质量测量。
第二类是中等质量的黑洞，其质量介于100个到100万个太阳质量之间。对于中等质量的黑洞，现在观测的直接证据非常少，但是理论研究证明，它们应该是存在的，所以寻找中等质量的黑洞也是目前研究的一个热门课题。
第三类是超大质量的黑洞，其质量介于100万个至100亿个太阳质量之间。科学家相信，在包括银河系在内所有星系的中心，都会有一个或数个超大质量黑洞的存在。
对于黑洞，只需要3个物理量就可以描述它，一个是它的质量，一个是它的转动，另外一个就是它的电荷。在宇宙当中，气体几乎都是以等离子体状态存在，会存在非常多的自由电荷。如果一个黑洞带电，那很容易吸附周围的带电粒子而达到电力平衡。所以最终只剩下两个物理量，一个质量，一个转动，科学家主要的任务就是测量黑洞的这两个基本量。
超大质量黑洞被发现了，但是它实际上给理论学家带来了新的问题。例如：质量如此巨大的黑洞是如何形成的？恒星质量的黑洞尚可通过恒星坍缩来解释，但是宇宙中并没有发现数百万到数亿个太阳质量的恒星，这种恒星在理论上能否存在也是一个未知数。
关于超大质量黑洞的形成，几十年来大家提出了各种模型，比如球状星团内小质量黑洞的合并，中等质量黑洞吸积周围恒星气体长大等。但是这些模型有些依赖过多的假设，有些在经过仔细考虑后对物理环境的要求过于苛刻。此外，随着高红移星系观测的进步，天文学家发现这些超大质量黑洞其实在很早期的宇宙就已经存在了，这也给这类理论提出了新的挑战。这仍然是超大质量黑洞的研究中最重要的悬而未决的问题之一。
即使不考虑超大质量黑洞如何形成，它们本身也是足够有趣的事物：超大质量黑洞占据了星系里可观的质量，势必对星系的演化产生影响。超大质量黑洞的吸积向星系发射出巨大的能量，也一定会影响星系内气体和恒星的行为。然而，我们并不清楚这些事情如何发生。所有的这些都是极其有趣的问题，并且吸引着新一代的学者去探索。
黑洞研究未有穷期
2020年诺贝尔物理学奖的三位获得者，用开创性的智慧为我们带来了研究超大质量天体的全新方法，他们各自取得的成就也毫无疑问地为人类打开了通往新世界的大门。
从1915年广义相对论横空出世，到最早的黑洞解被计算出，到美国物理学家奥本海默等人证明事件视界的可能存在，到彭罗斯与霍金证明了奇点的可能存在，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的天文学家对这类物理机制的洞察，一直到根策尔和盖兹发现银河系内的超大质量黑洞，我们在一步一步中挑战着人类对于黑洞这一宇宙中最奇特的天体的认知，并且不断地提出新的问题与挑战。
在根策尔和盖兹的发现之后，关于黑洞的故事仍在继续。2015年9月14日，位于美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）捕捉到了两个黑洞合并产生的引力波，这次事件暗示了黑洞是真实存在的。2019年4月10日，全球多地天文学家同步公布了黑洞“真容”。该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。这两项成果证实了黑洞是一种客观物理实体，而不是科幻小说中的虚拟概念。
今年的诺贝尔物理学奖，是对几十年来黑洞研究工作的一次总结。然而，人类却发现仍然有无数的未知在门外等候，仍然在等待着物理学家们去思考和探索。
强大的天文望远镜对准银河系中心