科学5分钟读懂2020诺贝尔物理学奖：黑洞和银河系最黑暗的秘密( 二 ) |黑洞|

“黑洞”的概念在许多文化表达形式中都找到了新的含义，但对物理学家来说，黑洞是巨型恒星演化的自然终点。 20世纪30年代末，物理学家罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）首次计算出了一颗大质量恒星的剧烈坍缩。奥本海默后来领导了制造出第一颗原子弹的“曼哈顿计划”（Manhattan Project）。当质量为太阳许多倍的巨型恒星耗尽燃料时，它们首先爆发成为超新星，然后坍缩成密度极高的残骸，其质量之大，以致于引力能将一切都拉进内部，甚至包括光。

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早在18世纪末，英国哲学家、数学家约翰·米歇尔（John Michell）和法国著名科学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）就提出了“暗星”（dark star）的概念。两人都认为，天体的密度可以大到让人看不见，因为光的速度也不足以逃脱它们的引力。
一个多世纪之后，爱因斯坦发表了广义相对论，该理论中一些方程的解描述的正是这样的暗星。直到20世纪60年代，这些解都被认为是纯粹的理论推测，描述了恒星及其黑洞呈完美的圆形和对称的理想状态。但是，宇宙中没有什么是完美的，而Roger Penrose首先成功地为所有坍缩物质找到了一个现实的解。
类星体之谜

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1963年，随着宇宙中最亮的物体——类星体（quasar）——的发现，黑洞是否存在的问题再次浮出水面。在近十年的时间里，天文学家一直对来自神秘来源（如室女座的3C273）的无线电射线感到困惑。可见光辐射最终揭示了该类星体的真实位置——3C273距离地球如此之远，以致于这些射线在超过10亿年的时间里都在朝着地球传播。
这些辐射源离我们如此之远，其强度甚至相当于几百个星系发出的光。这些天体被命名为“类星体” 。天文学家很快就发现了更加遥远、在宇宙早期就已经发出辐射的类星体。这种令人难以置信的辐射来自哪里？要在类星体有限的体积内获得如此多的能量，只有一种方法——从坠入巨大黑洞的物质中获取。
俘获面
黑洞是否能在现实条件下形成是困扰Roger Penrose的一个问题。他后来回忆道，答案出现在1964年秋天，当时他正和一位同事在伦敦散步。 Penrose当时是伯克贝克学院的数学教授。当他们暂时停下交谈，穿过一条小街时，一个想法突然出现在他的脑海里。那天下午晚些时候，他回忆起了这个想法，也就是被他称为“俘获面”（trapped surface）的概念。这是他一直想要寻找的关键，也是描述黑洞所需要的重要数学工具。

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一个俘获面会迫使所有光线指向一个中心，不管表面是向外还是向内弯曲。利用束缚表面， Penrose证明黑洞总是隐藏着一个奇点，即一个时间和空间的边界。奇点的密度无限大，但到目前为止，还没有理论能够解释这一物理学中最奇特的现象。
在Penrose对奇点定理的证明进行完善时，俘获面成为一个中心概念。在如今有关弯曲宇宙的研究中，他所引入的拓扑方法发挥着重要的作用。
通向时间尽头的单行道
一旦物质开始塌缩并形成俘获面，塌缩就再也没有可能停止。正如物理学家兼诺贝尔奖得主Subrahmanyan Chandrasekhar讲述的故事中所言，没有回头路。他的这个故事讲的是蜻蜓和其生活在水面下的幼虫。当幼虫准备好展开翅膀时，它向周围的同伴承诺，会回来向它们讲述水面上的大千世界。但是一旦幼虫真的冲出水面，如蜻蜓一般飞舞后，它就再也回不去了。水中的幼虫永远无法听到水面之外大千世界的故事。