彭罗斯奇点定理如何解释时空的终结

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。

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。在那个事件视界之下，所有的物质、光和空间都注定要向内落入一个中心点。在那个所谓的奇点处，引力变得无穷大。

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，史瓦西解并没有说明物质如何达到足够高的密度以产生视界，也没有说明这样高密度的物质是否真的会收缩到一个点。它只表明，一旦如此收缩，产生的黑洞是稳定的。黑洞存在的可能性也激发了一大批伟大的科学家去寻找它们可能存在的方式。

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。

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。