霍金的棺材板壓不住了！為什麼說他早應該分享昨天公布的諾貝爾獎？

彭羅斯和霍金在奇性定理方面的合作

1970年，霍金和彭羅斯證明，我們的宇宙在大爆炸的開端有一個時空奇點。

1916年，在愛因斯坦廣義相對論剛剛提出后，德國數學家、天文學家史瓦西（K.Schwarzschild）就得到了愛因斯坦場方程的第一個嚴格解，即史瓦西外部解或史瓦西度規，也就是數學意義上的黑洞。然而，現實中是否存在黑洞呢？當時科學界是存在很大爭議的。

圖註：天體物理學家史瓦西

1939年，美國「原子彈之父」奧本海默（J.Robert Oppenheimer）及其合作者研究了完全球對稱、密度均勻，沒有旋轉，沒有壓力的理想恆星的坍縮過程。在這種完全理想的前提下，恆星的質量大到一定程度，黑洞的形成是不可避免的，從而形成與外界宇宙隔離的視界（Horizon）。那麼，黑洞中心會形成什麼呢？奧本海默並沒有給出任何解釋。但他的方程卻暗示著，在黑洞的中心會形成體積無限小、密度無限大的奇點（Singularity）。

圖註：美國原子彈之父奧本海默

然而，奧本海默的模型太簡單了，現實中恆星多少都有旋轉，不可能完全不受干擾保持完美球對稱。因此，任何非完美的恆星在坍縮的過程中，存在發生反彈的可能性，不會在中心形成奇點。關於這一點，前蘇聯物理學家栗弗席茲（Lifshitz）曾給出過證明。

1964年，英國數學物理學家彭羅斯（Roger Penrose）利用拓撲學的方法證明，無論有什麼干擾，在坍縮黑洞的中心會不可避免地形成奇點。

如果愛因斯坦的廣義相對論正確，黑洞中心就不可避免地形成一個奇點。

1970年，霍金和彭羅斯證明了，在廣義相對論的框架下，我們的宇宙在大爆炸的開端也有一個時空奇點，如果有一天再發生坍縮，必然在大擠壓中再次形成奇點。這就是著名的奇性定理（singularity theorems）。

三位獲獎者簡介

羅傑·彭羅斯，1931年出生於英國科爾切斯特。1957年畢業於英國劍橋大學。現為英國牛津大學教授。

賴因哈德·根策爾，1952年生於德國的巴特洪堡。1978年在德國波恩大學獲博士學位。現為馬克斯·普朗克外層物理研究所主任，兼任美國加州大學伯克利分校教授。

安德莉亞·蓋茲，1965年出生於美國紐約。1992年在美國加州理工學院獲博士學位。現為美國加州大學洛杉磯分校教授。

獎金總額

獎金總額為1000萬瑞典克朗（約合760萬人民幣），其中一半獎給羅傑·彭羅斯，另一半獎給賴因哈德·根策爾和安德莉亞·蓋茲。

談談霍金另一項諾獎級的貢獻：霍金輻射

上面我們提到，奇性定理是彭羅斯和霍金共同完善的，最早源於彭羅斯的工作，今年諾獎因這項工作頒發給彭羅斯，也是實至名歸！其實，霍金更加獨創性的工作要數「霍金輻射」了

在大家心目中，黑洞是那種只吃不吐的引力怪物。沒有任何東西能夠逃脫黑洞的束縛，包括光線。上面的認識都是基於經典的廣義相對論，當考慮到量子場論效應時，頭腦中的觀念就要發生改變了。

圖註：霍金輻射示意圖。

真空並不是完全的空，而是充滿了起伏不定的量子漲落，各種正、反虛粒子對不斷產生和湮滅。黑洞視界附近是一個危險的區域，通常那裡潮汐力很強，會把「虛粒子對」拉開一定距離，當「虛粒子對」得到足夠多的能量時，就會轉化為真實存在的實粒子，當處於視界外的粒子飛走時，就帶走了黑洞的能量，也是帶走了黑洞的質量。這樣，黑洞質量就會逐漸變小，該過程又稱為「黑洞蒸發」。

另一個等價的圖景：一個虛粒子帶正能量、一個帶負能量，負能量的粒子更容易被黑洞吞噬，留下正能量的粒子逃離黑洞，從而帶走能量和質量，黑洞因吞噬了負能量粒子而損失了能量和質量。這也是霍金在《時間簡史》中描繪的圖景。

根據霍金輻射的計算公式，黑洞的溫度與質量成反比，通常黑洞的溫度都是非常低的。太陽質量的黑洞，溫度只有60納開，這樣的黑洞從宇宙背景輻射吸收的能量要大於因輻射損失的能量，因此永遠不會蒸發掉。

理論上，月球質量的黑洞，其溫度和宇宙背景輻射的溫度相當，恰好能做到收支平衡。因此，可以想象，小質量的黑洞溫度會更高。如果粒子對撞機能產生黑洞的話，那麼會因霍金輻射而瞬間蒸發掉的，因此無需擔心那樣小的黑洞吞噬地球。

有理論推測，在宇宙大爆炸初期，會形成小質量的原初黑洞（Primordial black holes），這些小黑洞溫度很高，壽命相對較短，會釋放出高能伽馬射線。如果能探測到這種伽馬射線，就能驗證霍金輻射的存在。然而，到目前為止，還沒有得到令人信服的觀測證據。