广义相对论|2020年诺贝尔物理学奖权威解读，你想知道的都在这里！
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刚刚 ， 2020 年诺贝尔物理学奖将一半颁给了
罗杰·彭罗斯 (Roger Penrose)
以表彰其给出的黑洞形成的证明 ， 并成为广义相对论的有力证据 。 另一半由
赖因哈德·根策尔 (Reinhard Genzel)
安德烈娅·盖兹 (Andrea Ghez)
共享 ， 表彰他们在银河系中心发现超高质量高密度物质 。
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12020 年诺贝尔物理学奖将一半的奖金颁给了罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）其证明了黑洞的形成 ， 这成为广义相对论的有力证据 。
黑洞的概念其实早就有了 ， 早在 18 世纪米歇尔还有拉普拉斯等人就讨论过 ， 一个具有与地球同样密度 ， 而直径为太阳 250 倍的明亮天体 ， 它发射的光将被自身引力吸引而不能被我们看到 。
出于这个朴素的想法 ， 宇宙中最明亮的天体却很可能是看不见的 。 在前面的论述中 ， 拉普拉斯还给出了黑洞的史瓦西半径公式
虽然这个公式确实是对的 ， 和今天用广义相对论推导得出来的一样 ， 但是当时拉普拉斯是通过把光假设成粒子 ， 用万有引力定律计算的 ， 这个计算过程不太对 。 后来爱因斯坦发表了广义相对论 ， 很快史瓦西就根据理论场方程给出了史瓦西解 。
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第一张黑洞照片黑洞的史瓦西解在当时并没有引起多大重视 ， 这个解说时空中间是一个奇点 ， 密度无限大 ， 这实在是超乎想象 。 但是现在第一张黑洞照片也已经被拍摄出来了 ， 我们几乎确信黑洞就是真实存在的 。 黑洞长什么样呢？对于史瓦西黑洞 ， 黑洞中间就是一个奇点 ， 这个点密度无限大 ， 在史瓦西半径处这个曲面就叫做事件视界 ， 也就是说只要物质——包括光 ， 进入到事件视界以内 ， 就别想出来了 。 黑洞比较特殊 ， 它内部的时空坐标是互换的 ， 就是我们理解的半径从表面一直延伸到奇点 ， 这是一个时间坐标 ， 只要进入到黑洞内部 ， 就必须往奇点方向掉 ， 所以严格来说事件视界以内的等半径曲面是一个等时面 ， 奇点处就是时间的终点 。 假如有一艘宇宙飞船它掉进黑洞的事件视界里了 ， 那他无论向哪个方向加大动力 ， 都只能让他更快地奔向奇点 ， 直至相撞 。
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不过关于黑洞的形成 ， 从这个抽象的概念提出以后就有人怀疑 ， 说黑洞坍缩之后会不会不存在奇点呢？ 我们计算出来的奇点可能是理想中的情况 ， 在一个高度对称的情况下的结果 ， 广义相对论的场方程因为十分难解 ， 所以人们确实会先考虑一些对称的情况 。 但是真实情况 ， 恒星坍缩很有可能不是高度对称的 ， 恒星可能是奇形怪状的 ， 每个地方坍缩的速度不一样 ， 所以最终有可能不是坍缩成一个点 。
这件事儿就是彭罗斯最先给出证明的 ， 他证明了对于史瓦西黑洞不管是不是高度对称 ， 恒星原来可能长的奇形怪状的 ， 都没关系 ， 最终都会坍缩成一个点 ， 就是一个密度无限大的奇点 。
后来是霍金在博士论文中把彭罗斯的证明进行了推广 ， 这是 1966 年的事儿 ， 当年霍金 24 岁 ， 他把彭罗斯的奇点定理推广到了任意黑洞 ， 正是这个奇点定理保证了奇点的存在 ， 这个点在物理上的理解就是时间结束的地方 ， 所有物质只进不出 ， 所以后来人们又研究 ， 那会不会存在时间开始的地方呢？所有物质只出不进呗？理论上存在 ， 就是白洞 ， 广义相对论允许黑洞和白洞的存在 。
但是黑洞可以由恒星坍缩形成 ， 那白洞怎么形成呢？这个问题现在还不是很好理解 ， 所以物理学家其实讨论的并不多 。 1970 年霍金和彭罗斯共同合作又写了一篇论文 ， 他们认为宇宙大爆炸就是开始于一个奇点 ， 这个奇点就是一个白洞 ， 并且在宇宙大爆炸初期还会形成一些质量很小的黑洞 ， 不过这个观点到现在为止还没有观测证据佐证 。
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