从快递到黑洞：广义相对论给我们的馈赠

    快递，无疑为当今的中国人带来了极大的生活便利。我们无需出门，只要打开手机、轻轻点触，可口的美食和琳琅的货物，便可如约而至。这些便利的背后离不开辛勤的快递小哥，离不开高大上的卫星导航，也离不开20世纪物理学最伟大的发现——广义相对论。因为要想实现精确的卫星导航，我们必须考虑近地轨道和地球表面那微弱的引力差异，进而通过广义相对论来计算矫正。否则，单靠卫星导航系统来定位，那么平均误差会增加30米左右。当然广义相对论不仅可以帮助快递小哥精准地找到我们，还带给我们另一项重要馈赠：今年诺贝尔物理学奖中涉及的黑洞理论。

    早在广义相对论诞生100多年前的法国，数学家拉普拉斯就基于光的微粒说和牛顿的万有引力理论提出存在一种暗星（类似今天所说的黑洞），这种暗星具有极大的质量和密度，因此能够吸引自身发出的光。广义相对论诞生以后，天体物理学家史瓦西给出了一个静止的、完美的球形黑洞的预言，在他的预言中，黑洞除了具有暗星所拥有的极大质量和极高密度之外，还具有一些新的特点。黑洞表面存在这样一个边界，包括光在内的一切物质一旦越过黑洞的边界（也叫事件视界），那么它们都将义无反顾地奔向一个终点，这个点具有无穷大的物质密度和时空弯曲，因而又被叫作奇点（singularity）。在奇点处，一切物理理论都会失效。但是由于宇宙中的天体很少有完美的球形，并且天体也都存在着各种各样的扰动，因此很多学者认为宇宙中并不存在黑洞这种天体。1965年彭罗斯以整体微分几何为工具，基于更一般的俘获面假设，得出了关于包含事件视界和奇点的黑洞的更一般的证明，也就是大名鼎鼎的奇点定理。从此以后，视界和奇点就成了黑洞的标准配置。而彭罗斯也因他所证明的奇点定理被授予了今年的诺贝尔物理学奖。

    按照理论预言，黑洞不仅不发光，还会把光给拽到奇点，那么我们又该如何观测呢？ 这难不倒天文学家。19世纪40年代，天文学家们通过观测天王星轨道的异常运动，推算出了海王星的大致位置，进而观测到了海王星。类似的方法也被用到了黑洞的观测上，因为黑洞具有极大的质量和密度，这使得黑洞可以在一个很小的范围内让其他星体表现出独特的运动行为。上世纪90年代起，盖兹和根策尔就分别独立地开始了对银河系中心的观测。他们使用口径超过八米的大型光学望远镜来追踪银河系中心的恒星运动。与观测太阳系内的行星运动不同，观测银河系中心的恒星要复杂得多，毕竟银河系中心与我们的距离达到了2.6万光年，而盖兹和根策尔的观测又必须集中在一个极小的范围内。通过不断的努力和技术升级，盖兹和根策尔不断提升着观测的分辨率和精度。如果你对光年、角秒这些天文学的概念毫无感觉。那么我们可以做一个近似的理解，盖兹和根策尔的工作，相当于我们站在北京来看重庆的一根绣花针。最终经过近30年的努力，这两个团队分别独立证明了，在银河系的中心，确实存在着一个极大质量和极高密度的天体，按照现有理论来说，这个天体只能是黑洞。但是现有理论却从1965年彭罗斯证明奇点定理那一刻起出现了破缺，而不再可靠。这也使得诺贝尔物理学奖委员会在介绍两位天文学家的成果时故意回避了黑洞这个有明确的理论物理内涵的概念。

    实际上使得现有理论不再可靠、发生破缺的起点，正是黑洞中的那个奇点。因为在奇点处，失效的是所有的物理理论，自然也包括了广义相对论。所以从这点来看，广义相对论并不能够描述整体宇宙时空。为了缓解这一矛盾，彭罗斯提出了宇宙监督假设。这个假设认为，宇宙中不存在裸奇点，所有的奇点都被黑洞的视界所包裹，因而不会影响黑洞外的时空。这个假设在缓解了矛盾的同时，也暗示了广义相对论的近似性，即广义相对论只适用于黑洞视界以外的弱引力场环境，黑洞的内部则是由其他更复杂的引力理论所支配，而广义相对论则是这种理论的一个近似。因此黑洞研究无疑是通往新的基础理论的大门，诺贝尔物理学奖评审委员会敏锐而犀利的眼光则在这次颁奖中得到了又一次的证明。

    1915年，爱因斯坦为了修正狭义相对论的内禀矛盾，提出了广义相对论。通过广义相对论，他成功地预测了水星进动。但他永远不可能预测到，这一理论在100多年后，会给遥远的东方的每一个人的吃、穿、住、行带来如此巨大的便利。同样，我们也不可能预知今天的基础理论研究会对未来产生哪些具体的影响。唯一能确定的就是，未来人类面对的所有重大问题的解决都离不开基础理论的突破和进展，当然，这些突破和进展的取得都需要长期的积累和观察。