2020年諾貝爾物理學獎得主漫畫像（左起：彭羅斯、根策爾、蓋茲）
快遞，無疑為當今的中國人帶來了極大的生活便利。我們無需出門，只要打開手機、輕輕點觸，可口的美食和琳琅的貨物，便可如約而至。這些便利的背後離不開辛勤的快遞小哥，離不開高大上的衛星導航，也離不開20世紀物理學最偉大的發現——廣義相對論。因為要想實現精確的衛星導航，我們必須考慮近地軌道和地球表面那微弱的引力差異，進而通過廣義相對論來計算矯正。否則，單靠衛星導航系統來定位，那麼平均誤差會增加30米左右。當然廣義相對論不僅可以幫助快遞小哥精準地找到我們，還帶給我們另一項重要饋贈：今年諾貝爾物理學獎中涉及的黑洞理論。
早在廣義相對論誕生100多年前的法國，數學家拉普拉斯就基於光的微粒說和牛頓的萬有引力理論提出存在一種暗星（類似今天所說的黑洞），這種暗星具有極大的質量和密度，因此能夠吸引自身發出的光。廣義相對論誕生以後，天體物理學家史瓦西給出了一個靜止的、完美的球形黑洞的預言，在他的預言中，黑洞除了具有暗星所擁有的極大質量和極高密度之外，還具有一些新的特點。黑洞表面存在這樣一個邊界，包括光在內的一切物質一旦越過黑洞的邊界（也叫事件視界），那麼它們都將義無反顧地奔向一個終點，這個點具有無窮大的物質密度和時空彎曲，因而又被叫作奇點（singularity）。在奇點處，一切物理理論都會失效。但是由於宇宙中的天體很少有完美的球形，並且天體也都存在著各種各樣的擾動，因此很多學者認為宇宙中並不存在黑洞這種天體。1965年彭羅斯以整體微分幾何為工具，基於更一般的俘獲面假設，得出了關於包含事件視界和奇點的黑洞的更一般的證明，也就是大名鼎鼎的奇點定理。從此以後，視界和奇點就成了黑洞的標準配置。而彭羅斯也因他所證明的奇點定理被授予了今年的諾貝爾物理學獎。
按照理論預言，黑洞不僅不發光，還會把光給拽到奇點，那麼我們又該如何觀測呢？ 這難不倒天文學家。19世紀40年代，天文學家們通過觀測天王星軌道的異常運動，推算出了海王星的大致位置，進而觀測到了海王星。類似的方法也被用到了黑洞的觀測上，因為黑洞具有極大的質量和密度，這使得黑洞可以在一個很小的範圍內讓其他星體表現出獨特的運動行為。上世紀90年代起，蓋茲和根策爾就分別獨立地開始了對銀河系中心的觀測。他們使用口徑超過八米的大型光學望遠鏡來追蹤銀河系中心的恆星運動。與觀測太陽系內的行星運動不同，觀測銀河系中心的恆星要複雜得多，畢竟銀河系中心與我們的距離達到了2.6萬光年，而蓋茲和根策爾的觀測又必須集中在一個極小的範圍內。通過不斷的努力和技術升級，蓋茲和根策爾不斷提升著觀測的分辨率和精度。如果你對光年、角秒這些天文學的概念毫無感覺。那麼我們可以做一個近似的理解，蓋茲和根策爾的工作，相當於我們站在北京來看重慶的一根繡花針。最終經過近30年的努力，這兩個團隊分別獨立證明了，在銀河系的中心，確實存在著一個極大質量和極高密度的天體，按照現有理論來說，這個天體只能是黑洞。但是現有理論卻從1965年彭羅斯證明奇點定理那一刻起出現了破缺，而不再可靠。這也使得諾貝爾物理學獎委員會在介紹兩位天文學家的成果時故意迴避了黑洞這個有明確的理論物理內涵的概念。
實際上使得現有理論不再可靠、發生破缺的起點，正是黑洞中的那個奇點。因為在奇點處，失效的是所有的物理理論，自然也包括了廣義相對論。所以從這點來看，廣義相對論並不能夠描述整體宇宙時空。為了緩解這一矛盾，彭羅斯提出了宇宙監督假設。這個假設認為，宇宙中不存在裸奇點，所有的奇點都被黑洞的視界所包裹，因而不會影響黑洞外的時空。這個假設在緩解了矛盾的同時，也暗示了廣義相對論的近似性，即廣義相對論只適用於黑洞視界以外的弱引力場環境，黑洞的內部則是由其他更復雜的引力理論所支配，而廣義相對論則是這種理論的一個近似。因此黑洞研究無疑是通往新的基礎理論的大門，諾貝爾物理學獎評審委員會敏銳而犀利的眼光則在這次頒獎中得到了又一次的證明。
1915年，愛因斯坦為了修正狹義相對論的內稟矛盾，提出了廣義相對論。通過廣義相對論，他成功地預測了水星進動。但他永遠不可能預測到，這一理論在100多年後，會給遙遠的東方的每一個人的吃、穿、住、行帶來如此巨大的便利。同樣，我們也不可能預知今天的基礎理論研究會對未來產生哪些具體的影響。唯一能確定的就是，未來人類面對的所有重大問題的解決都離不開基礎理論的突破和進展，當然，這些突破和進展的取得都需要長期的積累和觀察。
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來源：中華讀書報
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