前天晚上，2020年诺贝尔物理学奖在万众瞩目中揭晓，获奖者是罗杰•彭罗斯、莱因哈德•根泽尔和安德里亚•盖兹（图1）。这三位科学家之所以能戴上诺奖的桂冠，是因为他们分别从理论和观测的角度，证明了黑洞的存在。
从观测角度证明黑洞存在的，是根泽尔和盖兹。之前，我已经介绍过他们如何发现银河系中心隐藏着一个超大质量黑洞，这里就不再赘述了。
下面我要科普的，是彭罗斯（图2）的成果，也就是他在1965年提出的奇点定理。
为了讲清楚这个奇点定理的来龙去脉，我需要先回顾一下之前在银河系之旅中讲过的内容。
20世纪20年代，英国大天文学家爱丁顿（图3）揭开了恒星的生老病死之谜。他发现，天上的恒星可以分为3类：主序星、红巨星、白矮星。主序星是盛年的恒星，红巨星是濒死的恒星，而白矮星是死掉的恒星。这个发现，绝对是20世纪最重大的天文成果之一。
但到了20世纪30年代，爱丁顿创造的这个看似和谐的恒星世界，却受到了严重的冲击。第一个举起反对大旗的人，是钱德拉塞卡（图4）。他证明了如果白矮星的质量超过了太阳质量的1.44倍（即钱德拉塞卡），这个白矮星就会继续塌缩下去。这意味着，白矮星并不是恒星演化的唯一终点（http://t.cn/EhaaBSe）。
然后登场的，是美国天文学家沃尔特·巴德（图5）和弗里茨·兹威基（图6）。他们在1934年预言了一种比白矮星更致密的天体，那就是所谓的中子星（http://t.cn/EhgEcq0）。
但到了1939年，美国物理学家奥本海默（此人就是著名的原子弹之父，见图7）发现，中子星也有自己的质量极限，称为奥本海默极限。如果中子星的质量超过了奥本海默极限，这个中子星同样会继续塌缩下去（http://t.cn/A6bI4Gtc）。
钱德拉塞卡、巴德、兹威基和奥本海默的发现，揭示了一种匪夷所思的理论上的可能性。对于一个球对称、且质量超过太阳质量3倍的死亡恒星而言，没有任何力量能够阻止它自身的引力塌缩。也就是说，这个死亡恒星所有的质量，最终都会被压缩成一个不占任何体积的点。这个集中了黑洞全部质量、密度无穷大的点，就是所谓的奇点。
死后的恒星会变成一个密度无穷大的奇点，这种理论上的可能性，被以爱因斯坦和爱丁顿为代表的主流天文学界，视为异端邪说。
为了消除这个该死的奇点，以利夫希兹（Lifshitz）为代表的一些苏联物理学家就提出了这样的观点：在真实的宇宙中，并不存在完全球对称的恒星。这样一来，恒星死后就不会被自身引力压缩成一个奇点。
这是本文的关键所在，所以我再强调一下。利夫希兹认为，不具备球对称性的死亡恒星，不会被自身引力压缩成一个奇点。这是阻止黑洞形成的最后一个理论障碍。
做了这么多铺垫以后，接下来我们就可以介绍彭罗斯的奇点定理了。
1965年，彭罗斯在《物理评论快报》上发表了一篇里程碑式的论文（图8）。在这篇名为“引力塌缩和时空奇点”的论文中，彭罗斯用自己开发的一套全新的数学工具（即彭罗斯图），证明了奇点的形成与死亡恒星的对称性无关。说得更具体一点，彭罗斯从数学上严格地证明了，不管是什么形状的恒星，只要质量足够大，死亡以后都会被引力压缩成奇点。这就是彭罗斯的奇点定理。
这个奇点定理，扫除了阻止黑洞形成的最后一个理论障碍，从而完成了大质量恒星引力塌缩理论最后的临门一脚。也正是这个奇点定理，为他赢得了今年诺奖的桂冠。
最后再多说一句。还有一个科学家对这个奇点定理做出了重大的贡献，那就是大名鼎鼎的霍金（图9）。利用彭罗斯开发的数学工具，霍金证明了宇宙大爆炸也一定会有一个奇点。换言之，我们的宇宙一定会有一个开端。当然，这就是另一个故事了。
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