广义相对论|卢昌海：彭罗斯对黑洞研究到底有何贡献？霍金若在世能否得奖？霍金辐射|黑洞|霍金预言|彭罗

瑞典当地时间10月6日中午，诺贝尔奖委员会宣布将2020年诺贝尔物理学奖授予英国数学物理学家彭罗斯（Roger Penrose），表彰他对“发现黑洞形成是广义相对论的坚实预测” ，以及根泽尔（Reinhard Genzel）和盖兹（Andrea Ghez），表彰他们“发现银河系中心有一个超大质量致密天体” 。
对发现黑洞作出理论研究的彭罗斯，他作为一个数学家，到底有何独特贡献？著名科普作家卢昌海博士给出了他的简要回答。

问：关于彭罗斯的获奖原因，诺贝尔委员会给出的是“发现黑洞的形成是广义相对论的坚实预言”（“for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity”），诺奖委员会发布的科普材料里还提到了奇点定理，您能简单科普一下这项成果的内容和意义吗？
【广义相对论|卢昌海：彭罗斯对黑洞研究到底有何贡献？霍金若在世能否得奖？】卢昌海：1916年1月，距爱因斯坦（Albert Einstein）发表广义相对论场方程不到两个月，德国物理学家施瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了场方程的一个严格解。黑洞作为广义相对论的预言，若干主要特征（比如它的视界及所包含的奇点）在这个解中就已经体现出了——虽然物理学家们用了很多年的时间来挖掘和理解那些特征。 1939年，美国物理学家奥本海默（J. Robert Oppenheimer）和学生辛德（Hartland Snyder）对恒星坍塌为黑洞的过程进行了研究。这些都在一定程度上支持了广义相对论对黑洞的预言。但这些研究都假定了严格的球对称性，而现实世界里的恒星虽接近球形，却不可能是严格球对称的。因此，这些研究作为对黑洞的预言都不够坚实。对恒星能否坍塌为黑洞，甚至黑洞能否存在，当时仍有大量怀疑——怀疑者中包括了爱因斯坦本人。
【广义相对论|卢昌海：彭罗斯对黑洞研究到底有何贡献？霍金若在世能否得奖？】彭罗斯对黑洞研究的重要贡献是，他采用了在当时的广义相对论研究中还很新颖的几何与拓扑方法，在不依赖对称性的很普遍的条件下，证明了作为黑洞核心组成部分的奇点的出现是广义相对论的必然推论。他的这类研究最早的一项完成于1965年，但那项研究仍假定了一个物理上无法确立甚至有可能不成立的条件，从而并不能完全打消对黑洞的怀疑——或者说仍不够“坚实” 。 1970年，彭罗斯与霍金（Stephen Hawking）合作，去掉了那个条件，得到了一个更普遍的定理——即“霍金-彭罗斯奇点定理” 。这个定理的所有条件都很现实，比如可在大质量恒星的坍塌过程中得到满足，因此它的结论，即奇点的出现是广义相对论的必然推论，也就非常坚实。诺贝尔委员会所说的“发现黑洞的形成是广义相对论的坚实预言”指的就是这个——重点在“坚实”二字上。
问：作为一名数学物理学家，彭罗斯以纯理论的成果获得诺贝尔物理学奖，在近年是非常少见的，对此您怎么评价呢？
卢昌海：诺贝尔物理学奖通常颁给重大的观测、实验或与这两者关系密切（比如对之作出解释）的理论研究。纯理论的研究也并非不能获奖，但通常要等到其预言被观测和实验所证实——即不再是“纯理论”——的那一天（这有时得等几十年，甚至研究者至死也没等到也屡见不鲜）。不过，彭罗斯的研究跟以往获奖的纯理论研究有些不同，它本身并不预言任何东西，而只是替广义相对论作出了一个“坚实预言”——那预言无论被推翻还是证实，影响的都是广义相对论而不是彭罗斯的研究，后者的正确性只取决于它的数学推理的正确性。从这个意义上讲，彭罗斯的获奖成果更接近数学定理——只不过是以广义相对论为框架的数学定理。但是，这样的数学定理对于揭示广义相对论的性质有非常重要的价值，从这个角度讲，它的性质虽是数学，领域却是物理，获得诺贝尔物理学奖虽然少见，却并不“僭越” 。