物理学史中的一月1965年1月：彭罗斯开创性地证明了黑洞

(译自，2021年1月)

萧如珀1 杨信男2 译

(1.自由业；2.台湾大学物理系 10617)

卓越的物理学家彭罗斯(Roger Penrose)因“发现黑洞的形成是广义相对论的确凿预测”，和根策尔(Reinhard Genzel)以及盖兹(Andrea Ghez)因“发现位于银河系中心的超大质量致密天体”，同获2020 年诺贝尔物理奖。其实，黑洞的初步概念可以追溯到18世纪，在爱因斯坦形成他的广义相对论之前，也在彭罗斯的发现之前。

彭罗斯

英国天文学家米切尔(John Michell)于1783 年11月写了一篇奠基性论文，后来发表在皇家学会的杂志上，是最早猜测类似黑洞物体存在的人。他的目的是要找出测定恒星质量的可用方法，他认为他能测量从恒星出来的光通过棱镜后光速会减少多少；光速会因为能量减少而有不同的偏折，他相信可由此比较不同恒星曲折的影像来决定它们的表面重力，再计算它们各别的质量。

米切尔了解脱离速度的概念，这关键的速度是由恒星的质量和体积而定。他再三思考，假如星体很庞大，它的重力很强大，以至于脱离速度和光速相当的话会怎样，他下结论说：

“如果和太阳密度相同的星体半径比是500 比1，并假设光被星体所吸引的引力与其质量成正比，如此星体所放射出的光将会被它自己的引力吸引回去。”

这就会让天文学家看不见那颗恒星。他认为宇宙间可能有许多这样的星体，但因为它们没放射出光线，所以无法探测到。米切尔也推测说，双星系统的运动也许可以帮助科学家间接探测到这些“暗星”。

大约13年后，法国的博学家拉普拉斯(Pierre Simon LaPlace)也独立地得到相似的结论。在他1796 年的专著《宇宙系统论》(Exposition du Systeme du Monde)中，他特别考虑一个密度是太阳4倍的恒星的情形，并提出明确的数学方程式说明米切尔“暗星”的假设。

100多年后，爱因斯坦提出他的广义相对论，彻底改变了我们对于时空和重力的理解，开启了一个全新的理论领域。物理学家立即开始探讨那些可能性，最有名的是史瓦西(Karl Schwarzschild)，他在第一次世界大战期间正在前线服役。史瓦西一面躲避激烈的炮火，一面计算爱因斯坦场方程的各式解答，最终发现那些方程组都会“发散”的一个点。此研究就是我们现在所知的黑洞(狄基(Robert Dicke)于1960年造了这个词，而惠勒(John Wheeler)将它普及)早期的数学描述。

之后数十年，物理学家大多认为黑洞纯粹是理论上奇特的东西，而不是真的会存在于宇宙间。即便如此，在20 世纪30 年代，奥本海默(J.Robert Oppenheimer)和史奈德(Hartland Snyder)还是以数学说明一个巨大的恒星可能崩塌而形成黑洞。他们于1939 年的论文中下结论说，黑洞会“自己阻断和远方观察者的任何联系；唯有它的重力场持续存在。”

但是大部分得到的解都假设恒星和黑洞均有理想完美的对称，而真实的宇宙则凌乱多了。1963年发现的类星体大大地改变了大家讨论的内容，因为物理学家了解到，宇宙中来自最明亮物体的辐射源，都是正在掉落入巨大黑洞中的物质。

再来谈到彭罗斯，他接受挑战，思考黑洞可能形成的真实机制。彭罗斯选择在当时相当先进的方法：他不考虑时空复杂的几何结构，而着重在拓朴空间。

彭罗斯在伦敦散步时得到此突破性的深刻想法，他想象所谓的“闭陷表面”：一个封闭的的二维表面，会将所有的光线集中到无穷致密的中心，就是我们现在所谓的黑洞奇异点。他同时使用以他命名的彭罗斯图表来说明，一旦这个闭陷表面形成的话，根据广义相对论，朝向奇异点崩塌是不可避免的。这个结论就是1965年1月发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)的论文，标题为《重力的崩塌和时空的奇异点》(Gravitational Collapse and Space-Time Singularities)(图1)。

图1 彭罗斯在《物理评论快报》的论文图表，说明物质(下方)掉进黑洞奇异点(粗的垂直线)的情形

4年后，彭罗斯推测出他的“弱宇宙审查”假说，接着于1979 年又提出“强宇宙审查”假说，这仍被广泛认为是理论物理学中最重要，但尚未解决的挑战之一。假说主旨：黑洞的奇异点不能是“裸露的”；它一定要被禁锢住，永远躲在事件视界(event horizon，不可能从该区逃离的边界)里，然而，会有一个看得见、强烈弯曲(虽然有限)的外部区域。

彭罗斯甚至还想出一个复杂的过程(现在称它为彭罗斯过程)，在过程中可能撷取一些运行中的黑洞重力能量，具体地说，时空会沿着黑洞转动被拖曳着，由强大的重力而产生强烈的效果。就在事件视界外有“动圈”(旋转黑洞外面的区域)，在动圈内的每个观察者也都会被拖着和黑洞一起转动。

彭罗斯想象，去发射一个抛射体进入动圈，让它裂成两半，一半掉入黑洞中，而另一半逃逸。这个过程可以产生半个逃逸，从黑洞撷取能量，携带的能量比原先的抛射体还多。布兰德福(Roger Blandford)和日纳杰(Roman Znajek)后来使用此概念，建造了他们从转动的黑洞产生能量实际可行的模型。

黑洞不再只是主要存在于理论中的奇特天体，它继续吸引着物理学家，在理论和实验上都有所突破。根策尔和盖兹在我们银河系中心发现了一个超大质量的黑洞存在，已被诺贝尔审查委员会所认可，这将有助于赋予黑洞的研究，除理论外，注入活力。