有关今年诺贝尔奖物理学奖的一些事

有关今年诺贝尔物理学奖，我觉得我需要补充几点 其实诺贝尔物理学往年每年都是有规律的（粒子物理，凝聚态，天体物理和分子原子光物理），而近几年自从黑洞照片问世之后，就开始剑走偏锋，频频发给了天体物理学，今年也不例外。 1.1915年爱因斯坦发布广义相对论之后，从相对论发展历史的角度来说第一件开天辟地的大事其实就是1965年彭罗斯在prl上发布的一篇文章。从1915到1965看似很长的50年中，相对论其实还是处于青春期的一种迷茫困惑的状态基本没有任何的进展，造成这种状况的主要原因就是语言不够好，大家无法通过语言来理解这个事物，但是彭罗斯彻底改变了这个现状，彭罗斯是学数学出身的，但是他自己本身的物理功底非常深厚，尤其是关于广义相对论的，可以说他对广义相对论的理解已经达到了极致。他重塑了整个广义相对论的语言，这也体现在他的奇点定理上。什么是奇点?假设我们的手掌烫伤了，我们通常人就会去盯着这个伤口（奇点）看，但是彭罗斯用数学语言来解释了这个现象，我们假设有一条线水平过了我们的手掌，那么遇到了伤口（奇点）就无法继续通过了，因此我们只需要通过观测这条线能否顺利通过，就能知道是否存在奇点，用专业术语来讲的话就是观察测底线是否完备，后来人们观察奇点的方式都不是再盯着它看了而是转变为彭罗斯的这种观察方式，这就是数学家的一个独一无二的视角。 2.彭罗斯为了解释奇点定理又引入了一个新的概念叫俘获面。我们都知道牛顿的万有引力，一个地方如果引力特别强，你可能跳都跳不起来，爱因斯坦的广义相对论将引力这个概念给拿走了，他认为引力是时空弯曲的一种几何效应，物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动，引力只是一种幻觉，它只是时空弯曲的一种感受，但是如何用语言去表达，爱因斯坦也不知道。之后彭罗斯就提出来如何去解释，假如说我们在地面垂直向上和下射一束光，如果这个地方引力特别大，就导致你向上发射的光束也无法逃脱这种引力的舒服，它将不再向上运动反而开始向下运动，而这个临界值（光在空中静止不动）所形成的一个面，就被叫称作俘获面。 3.彭罗斯引入的第三个理论就更加的复杂了，叫做整体双曲，完全是一个数学的概念，简单来理解就是，我们都知道在哥德尔时空里如果我们坐着火箭飞船以非常大的速度（接近光速）去绕着地球运动那么我们是可以回到过去的，整体双曲从某种意义上讲就是否定了这一可能性，一个人是不能回到过去的但是二者只可近似不可等价，整体双曲绝不会出现坐飞船回到过去这种现象但不出现这种现象并不一定就是整体双曲，但是已经差的不是很远了。在爱因斯坦那个年代及以后相对论工作者所使用的都是古典微分几何十分强调坐标系的作用彭罗斯首先将现代微分几何也就是整体微分几何引入广义相对论的研究领域，这个几何它不强调坐标系反而是将坐标系赶了出去，它强调了几何本身的作用：拓扑和流形的作用。 彭罗斯所引入的这些新概念都是非常重要的，已经成为了当代青年人学习广义相对论的基本语言，我们不会再用爱因斯坦那种语言去学习广义相对论而是完全使用彭罗斯的语言。这是一个我觉得对彭罗斯的最基本的介绍。 奇点定理：假设我们所观测的这个时空没有奇点，也就是之前提到的它是测地完备的。之后的第一个条件就是曲率条件，但这个曲率条件在这里需要使用爱因斯坦方程，就使得你的曲率条件变成了一个能量条件，一个地方没有奇点，曲率和能量都有限制，那么这个时空就会发生一些非常奇妙的变化，即时空中存在一个非时序点集 S， 使得 E+（S） 与 E-（S） 紧致 - 彭罗斯是霍金的朋友，科研合作者同时也可以说是霍金的半个老师，是他把霍金引入了使用整体微分几何研究广义相对论的学术领域他们两人合作最大的成就就是关于奇点定理的证明这个定理的证明不仅是对广义相对论很重要，同时也是涉及了一些哲学方面的思想，因为彭罗斯首先是把奇点看作是时间开始和结束的地方，因此他们的证明就涉及了时间到底有没有开始，有没有结束，时间的开始和结束自古以来是由很少一部分人去讨论的，这部分人都是神学家和哲学家，他们连讨论带猜测一般来说没有引起大多数人的注意，现在这两位把这方面的研究引入了数学和物理的领域，彭罗斯是数学家也是物理学家，他对广义相对论的贡献不止于奇点定理，还有彭罗斯过程，彭罗斯图还有他提出的宇宙监督假设，他在这方面的贡献是高于霍金的，因为奇点定理的物理思想以及证明方法最早是由彭罗斯提出来的，霍金是在黑洞热力学方面的贡献高于彭罗斯的，只可惜霍金已经去世，这也使他与诺奖失之交臂，这既是霍金的一个损失也是诺奖的一个损失