2020年物理学奖（Half）阅读笔记
2020年诺⻉尔物理学奖
诺贝尔为什么没有数学奖其中⼀半授予Roger Penrose，因为其证明了⿊洞
是⼴义相对论的必然结果；另⼀半授予发现银河
系中⼼可能是⿊洞的超⼤质量致密天体的两位物
理学家/天⽂学家。本报告主要讲述和学习⿊洞的
发现历史和Penrose在⿊洞领域所做出的贡献。 ⿊洞概念的雏型
1783年英国牧师Michell, J. 和物理学家Laplace分别独⽴地假设出了⼀种独特的天体——暗星，即光都⽆法逃逸的天体。他们的计算⽅法基于⽜顿提出的光微粒说：
但很快，随着1801年托⻢斯杨的双缝⼲涉实验取得了成功，光的波动说取代了经典微粒说，因此“暗星”这⼀概念便被冷落了。
现代⿊洞理论的基础：⼴义相对论和史瓦⻄度规
1915年，爱因斯坦天才般地提出了震惊物理学界、乃⾄全世界的⼴义相对论。⼏个⽉后，德国学者史瓦⻄解出了爱因斯坦场⽅程的第⼀个解：球对称、不旋转的史瓦⻄解。
这个解很好地解释了很多问题，如⽔星近⽇点进动、光线在太阳附近弯曲等，但⼈们很快发现，这个解存在着⼀些问题——r=0处和r=2GM/c^2处，度规的某些项消失或发散了，这究竟有什么物理意义，困扰了物理学家很久。后来，随着研究的深⼊，r=2GM/c^2处实际上是由于坐标系的选择⽽导致出现的伪奇点，⽽r=0则是物理意义上的奇点，即物理定律在该处不适⽤，任何物体的时间在此终结。若选⽤克鲁斯卡坐标系，则该处并没有物理意义上的奇性。但这⼀点也有⼀定的物理意义，即
史瓦⻄⿊洞事件视界（event horizon，拍摄⿊洞照⽚的⼯作组就以此命名）的所在处。它的物理意义是⼀旦进⼊事件视界之内，任何物体甚⾄光都⽆法避免地落向⿊洞中⼼，因为在其内部类空⽮量成为了类时⽮量。
这⼀结果和Laplace计算的⼀致。
⿊洞发现的曲折道路
1939年，奥本海默和其学⽣在计算奥本海默极限时同时重新审视了史瓦⻄解，并发现其具有意义⾮凡的重要性：当天体坍缩⾄事件视界⼤⼩时，其与外界⽆法产⽣电磁相互作⽤，仅有引⼒作⽤，并将不停收缩直⾄形成⼀个质量⽆穷⼤、体积⽆穷⼩的奇点。
但许多有名望的物理学家都公开反对这⼀观点。两位苏联物理学家对奥本海默的过程进⾏了重新计算，指出这⼀结果仅在数学上⾼度球对称的情况下成⽴，⽽在真实物理世界中并不可能存在；甚⾄爱因斯坦本⼈⾄死也不认为事件视界和奇点是存在的。美国物理学家惠勒也认为，当天体坍缩⾄奇点⼤⼩时，⼀些量⼦效应会阻⽌其形成，使能量以引⼒波的形式向外发散掉，使⿊洞蒸发。
但随着类星体和活动星系核的发现，⼈们逐渐开始接受和探讨⿊洞存在的可能性。类星体是⼀种类似于恒星的天体，最初在X光波段被发现，在光学波段难以观测。起初天⽂学家认为他们是⼀种特殊的恒星。但随着研究的深⼊，发现这些天体的红移量⾮常的⾼，有的甚⾄达到了z=2. 然后便有学者指出，类星体其实是遥远的古⽼星系的星系核，称为AGN（活动星系核），这⼀观点逐渐被接纳，但令⼈惊讶的是，通过计算发现所在星系的发光功率⽐普通星系⼤两个数量级。
奇点定理的提出
由于恒星不可能拥有这样的性质，惠勒敏锐地发现了类星体很可能是他所反对的所谓“坍缩天体”——即AGN是⿊洞存在的有⼒间接证据。惠勒与彭罗斯进⾏了交流，后者受克尔-纽曼⿊洞——⼀种有旋转，带电荷的⿊洞的启发，认为⿊洞的形成并不依赖于⾼度对称性。由于其数学物理学家的身份，Penrose运⽤他极⾼的数学造诣，讲拓扑学运⽤在⼴义相对论上，最终发现⼀旦⼀种叫做“捕获截⾯（trapped surface）”的时空层在星体坍缩中形成，则天体将不可避免地⽆限向内坍缩，最终形成奇点。之后，彭罗斯和霍⾦⼀起证明了在宇宙⼤爆炸假说框架下，必然存在⼀个导致宇宙开端的原初奇点。
宇宙监督假说
Penrose在研究克尔-纽曼⿊洞时，发现当这种⿊洞达到极端条件时，其外视界和内视界可能不存在，导致裸露的奇点，对因果律造成破坏。Penrose坚信这种情况不可能出现，提出了宇宙监督假说（宇宙审查假说）：即宇宙中存在某种物理机制或定律，使裸露的奇点不可能存在。但由于⼴义相对论计算的复杂性和观测的困难，这种机制⾄今还未被发现。
意义和影响
奇点定理证明了⿊洞的存在在⼴义相对论框架下的物理必然性，或者说是⼴义相对论的强有⼒预⾔，被认为是⼴义相对论提出之后时隔50多年的第⼀个意义⾮凡的结论。
同时，Penrose的⼯作开创了⼀个新的时代、新的物理研究领域：⿊洞物理学。由于⿊洞存在的必然性和有⼒证据，许多物理学家对这⼀领域趋之若鹜，因此有了LIGO引⼒波探测器、事件视界望远镜对⿊洞照⽚的拍摄，以及2020年获奖的另⼀半：间接证明银河系中⼼存在⼀个⼤概率是⿊洞的天体。当代，多信使天⽂学的出现使得⿊洞物理学更是有了进⼀步发展，这是该领域前所未有的好时代。
我的疑问
为什么r=0是史瓦⻄外部解的真实奇点？将外部解⽤在内部有什么意义，为什么会导致奇点？ 参考资料
1、2020 Nobel Prize of Physics advanced materials （诺⻉尔奖官⽹下载）
2、《⼴义相对论基础》赵峥、刘⽂彪清华⼤学出版社
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